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Erfindungshintergrund
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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Feldplatte und floatendem
komplementär dotiertem
Bereich und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Halbleiterbauelement
besteht aus einem Halbleiterkörper
mit einer ersten Elektrode, die mit einer ersten oberflächennahen
Zone des Halbleiterkörpers
elektrisch in Verbindung steht, und einer zweiten Elektrode, die
mit einer zweiten Zone des Halbleiterkörpers elektrisch in Verbindung
steht. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ist in dem
Halbleiterkörper
eine Driftstrecke angeordnet. In der Driftstrecke sind Feldplatten
mit floatenden komplementär
zur Driftstrecke dotierten Bereichen angeordnet, welche die Feldverteilung
in der Driftstrecke beeinflussen.
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Derartige
Halbleiterbauelemente haben die Eigenschaft, dass bei einem Schaltvorgang,
bei dem das Bauelement von einem sperrenden in einen leitenden Zustand übergeht,
p-Ladungsträger,
das heißt
Löcher,
nicht schnell genug in diese floatenden komplementär zur Driftstrecke
dotierten Bereiche zufließen
können,
so dass die angekoppelten Feldplatten während des Einschaltens kapazitiv
auf ein negatives Potential gezogen werden. Dieses negative Potential
bewirkt eine Ausräumung
von Ladung in der Driftstrecke und kann den Stromfluss beim Wiedereinschalten,
das heißt
nach einem Übergang
vom sperrenden in den leitenden Zustand, deutlich reduzieren, bis
das Potential der Feldplatten durch Leckströme wieder angehoben ist.
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Wird
für die
floatenden p-leitenden Bereiche oberflächennah eine p–-leitende
zusätzliche
Schicht implantiert und eventuell ausdiffundiert mit einer Nettodotierung
etwa in der Höhe
der Durchbruchsladung des Halbleiters, die bei niedrigdotiertem
Silizium ca. 2 × 1012 cm–2 beträgt, so können die
floatenden komplementär
zur n-leitenden Driftstrecke dotierten Bereiche schneller entladen
werden. Die p–-leitende Schicht
eines MOSFETs oder eines IGBTs wird dazu mit einem Source-Potential bzw. einem
Emitter-Potential verbunden, beispielsweise durch das Überlappen
mit einer Bodyzone. Jedoch ist die Dotierstoffgrenze und damit die
Leitfähigkeit
der Entladestruktur an die Durchbruchsladung nachteilig gebunden. Niedriger
dotierte p-Gebiete sind zwar möglich,
erlauben jedoch nicht eine optimale Löcherleitfähigkeit. Zudem wird die Sperrfähigkeit
reduziert, da an dem p–-n–-Übergang
zwischen p-leitendem Gebiet einer Bodyzone und einer n-leitenden
Driftstrecke im Sperrfall ein zusätzliches vertikales elektrisches
Feld entsteht, das sich mit dem lateralen Feld überlagert, wird die Sperrfähigkeit
jedoch bei diesem Halbleiterbauelement reduziert. Diese Reduzierung
der Sperrfähigkeit
kann durch ein Verdichten der Äquipotentiallinien
am oberen pn-Übergang
nachgewiesen werden. Höher
dotierte p-Gebiete verhindern eine brauchbare Sperrfähigkeit.
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Weiterhin
ist es möglich,
eine Entladung der floatenden komplementär zur Driftstrecke dotierten Bereiche
mittels zusätzlich
vorzusehenden p-Kanal MOSFETs zu entladen. Zunächst laden sich, wie beschrieben,
beim Einschalten des Halbleiterbauelements die Feldplatten und die
mit den Feldplatten verbundenen floatenden komplementär zur Driftstrecke
dotierten Bereiche auf ein negatives Potential relativ zu einer
Source- bzw. einer
Emitterelektrode auf. Werden Gateelektroden von den zusätzlich vorzusehenden
p-Kanal MOSFETs, die mit den floatenden komplementär zur Driftstrecke
dotierten Bereichen verbunden sind, jeweils auf negatives Potential
gelegt, so ergibt sich beim Einschalten des Halbleiterbauelements
automatisch ein p-leitender Kanal, der eine Entladung der floatenden
Bereiche ermöglicht. Es
können
jedoch die Feldplatten über
die zusätzlichen
p-Kanal-Transistoren wegen der endlichen Einsatzspannung dieser
zusätzlichen
p-Kanal-Transistoren nicht komplett entladen werden.
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Zusammenfassung
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper aufweist
geschaffen. An dem Halbleiterkörper
sind eine erste Elektrode, die mit einer ersten oberflächennahen
Zone des Halbleiterkörpers
elektrisch in Verbindung steht, und eine zweite Elektrode, die mit einer
zweiten Zone des Halbleiterkörpers
elektrisch in Verbindung steht, angeordnet. Eine Driftstrecke ist zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet. In der Driftstrecke
ist eine Kopplungsstruktur für
mindestens eine in der Driftstrecke angeordnete Feldplatte vorgesehen.
Die Kopplungsstruktur weist einen floatenden komplementär zu der
Driftstrecke dotierten ersten Bereich und einen in dem ersten Bereich
angeordneten zweiten Bereich auf. Der zweite Bereich bildet einen
lokal begrenzten Durchgreifeffekt oder einen ohmschen Kontakt zur
Driftstrecke aus, und die Feldplatte steht mindestens mit dem zweiten
Bereich elektrisch in Verbindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren
beschrieben.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement einer
Ausführungsform der
Erfindung;
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 1;
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 3;
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5 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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6 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 5;
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7 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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8 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 7;
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9 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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10 zeigt
eine schematische, perspektivische Ansicht eines Querschnittsbereichs
eines Halbleiterbauelements gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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11 zeigt
den Querschnittsbereich gemäß 10 mit Äquipotentiallinien;
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12 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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13 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 12;
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14 zeigt einen schematischen Querschnitt
durch einen Halbleiterbauelementbereich mit über Maskierungstechnik eingebrachter
Entladestruktur auf einer lateral angeordneten Driftstrecke;
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15 bis 20 zeigen
schematische Draufsichten möglicher
Variationen der Kopplung zwischen Feldplatte und oberflächennahen
hochdotierten Bereichen.
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Mit
den 1 und 2 wird eine auf dem Durchgreifeffekt
basierende Kopplungsstruktur 4 gezeigt, die in diesem Fall
zur Entladung von floatenden ersten Bereichen 19, die mit
Feldplatten 12 verbunden sind, lokal begrenzt beiträgt. Die
Feldplatten 12 beeinflussen die Feldverteilung in einer
Driftstrecke 11 derart, dass das Bauteil höhere Spannungen
aufnehmen kann als ein Bauteil ohne Feldplatten. Die Driftstrecke 11 ist
dabei lateral ausgerichtet.
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Das
in 1 und 2 gezeigte Halbleiterbauelement 1 besteht
aus einem Halbleiterkörper 5, auf
dessen Oberseite 6 eine erste Elektrode 7, die
mit einer ersten oberflächennahen
Zone 8 des Halbleiterkörpers 5 elektrisch
in Verbindung steht. Eine zweite Elektrode 9 steht mit
einer zweiten oberflächennahen
Zone 10 des Halbleiterkörpers 5 elektrisch
in Verbindung. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 7 bzw. 9 ist
in dem Halbleiterkörper 5 eine
laterale Driftstrecke 11 angeordnet.
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Bei
der gezeigten lateralen Anordnung der ersten und der zweiten Elektrode 7 bzw. 9 auf
der Oberseite 6 eines Halbleiterkörpers 5 sind der erste komplementär dotierte
Bereich 19 und ein zweiter Bereich 16 oberflächennah
angeordnet. Genauso können
die Bereiche 16 und 19 vergraben sein. Bei dieser
vorteilhaften lateralen Anordnung des ersten und des zweiten Bereichs 19 bzw. 16 sind
der erste komplementär
dotierte Bereich 19 und der zweite hochdotierte Bereich 16 in
der Driftstrecke 11 bei entsprechend lateraler Anordnung
der ersten und der zweiten Elektrode 7 bzw. 9 derart
positioniert, dass der erste Bereich 19 in Richtung auf
die zweite Elektrode 9 und der zweite Bereich 16 in
Richtung auf die erste Elektrode 7 ausgerichtet sind, sodass
sich eine asymmetrische Anordnung des Bereichs 16 in dem Bereich 19 ergibt,
wobei der Abstand des Bereichs 16 zum sogenannten "low voltage point" am kleinsten ist.
Idealerweise ist der injizierende oder generierende zweite Bereich 16 so
positioniert, dass er näher am "low voltage point" 65 eines
komplementär
dotierten floatenden ersten Bereichs 19 angeordnet ist
als an allen anderen Punkten des pn-Übergangs zwischen erstem Bereich 19 und
Driftstreckenstruktur einer Driftstrecke 11. In diesem
Zusammenhang wird unter "low
voltage point" ein
Punkt auf dem pn-Übergang
zwischen Driftstrecke 11 und erstem Bereich 19 ver standen,
an dem im Sperrfall die vom Bodyzonen pn-Übergang ausgehende Raumladungszone
den pn-Übergang
zwischen Driftstrecke 11 und erstem Bereich 19 zuerst
berührt.
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Dabei
können
auch mehrere floatende Bereiche 19 mit Entladestruktur 4 bei
lateralem Strompfad zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 7 bzw. 9 lateral
in der Driftstrecke 11 zwischen erster und zweiter Elektrode 7 bzw. 9 angeordnet
sein wie es die nachfolgen weiteren 7 bis 9 sowie 12 und 13 zeigen.
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Halbleiterbauelement 1.
In dieser Draufsicht sind die Strukturen oberhalb einer Oberseite 6 eines Halbleiterkörpers 5 bis
auf die Kopplungsstrukturen 4 zu einer Feldplatte 12 und
zu der Driftstrecke 11, weggelassen. Die Oberseite 6 des
Halbleiterkörpers 5 zeigt
die erste oberflächennahe
Zone 8 für
die erste Elektrode 7, die in 2 gezeigt
wird. Diese erste oberflächennahe
Zone 8 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung streifenförmig und
n+-leitend und von einer streifenförmigen Bodyzone 33 umgeben, die
einen zu der Zone 8 komplementären Leitungstyp aufweist. Die
Zonen 8 und 10 können auch andere geeignete
Geometrien wie recheckförmig
aufweisen. An die Bodyzone 33 schließt sich in lateraler Richtung
eine n–-leitende Driftstrecke 11 an,
die bis zu einer zweiten oberflächennahen
Zone 10 für
eine in 2 gezeigte Elektrode 9 reicht
und n+-leitend ist.
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In
der Driftstrecke 11 sind Feldplatten 12 in Grabenstrukturen 21 angeordnet,
die von einer isolierenden Schicht 24 auf den Grabenwänden 22 und 23 umgeben
sind. Dazu sind die Feldplatten 12 lateral ausgerichtet
und ragen vertikal in die Driftstrecke 11 hinein. Um eine
Kopplung der Feldplatten 12 zur Driftstrecke 11 zu
ermöglichen,
ist bei d11 eine Kopplungsstruktur 4 angeordnet,
welche nahe von Enden 17 der Feldplatten 12 einen
n+-leitenden zweiten Bereich 16 aufweist,
der innerhalb des ersten Bereichs 19 angeordnet ist. Jedoch
kann die Kopplungsstruktur 4 je nach Ausgestaltung der
Feldplatten und der Dotierstoffverhältnisse auch z. B. mittig in
Bezug auf die Feldplatten oder in Richtung zur zweiten Elektrode
hin verschoben sein.
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Der
erster Bereich 19, der komplementär zur Driftstrecke 11 dotiert
ist und der den zweiten Bereich 16 umgibt, verhindert,
dass die beim Umschalten in den sperrenden Zustand sich ausbildende
Raumladungszone in der Driftstrecke 11 bis an den zweiten Bereich 16 heranreicht
und sich Leckströme
ausbreiten. Die Feldplatten 12 nehmen lediglich dasjenige Potential
auf ihrer gesamten Länge
auf, das an der Driftstreckenlänge
d11 herrscht, wobei der zweite Bereich 16 bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung derart hoch n+-leitend dotiert
ist, dass ein Durchgreifeffekt zur Driftstrecke 11 im eingeschalteten
Fall sichergestellt ist.
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Außerdem ist
der n+-leitende Bereich 16 in dem
komplementär
dotierten ersten Bereich 19 floatend angeordnet, der einen
pn-Übergang 20 mit
dem Material der Driftstrecke 11 bildet, wobei dieser pn-Übergang 20 bzw.
dieser komplementär
leitende erste Bereich 19 dafür sorgt, dass die Raumladungszone
bzw. die daraus resultierenden Äquipotentiallinien
sich zur zweiten oberflächennahen
Zone 10 hin, wie es auch 11 verdeutlicht,
spreizen so dass die Raumladungszone weiter in Richtung auf die
zweite oberflächennahe
Zone 10 hin aufgespannt werden kann. Mit dieser Struktur
wird ermöglicht,
dass eine schnelle Kopplung der Feldplatten 12 beim Übergang des Transistors
vom sperrenden in den leitenden Zustand erreicht werden kann.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 1 gemäß 1,
wobei nun die Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 eine
auf die Oberseite 6 aufgebrachte Struktur mit einer Isolationsschicht 35 aufweist.
Die Isolationsschicht 35 besitzt Fenster zu der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5.
Die erste Elektrode 7 ist als Sourceelektrode S eines MOSFETS
und die zweite Elektrode 9 ist als Drainelektrode D in
den Fenstern angeordnet, um die oberflächennahen Zonen 8 bzw. 10 zu
kontaktieren. Die Driftstrecke 11 ist auf einem p–-leitenden
Substrat des Halbleiterkörpers 5 mit
der Unterseite 72 angeordnet.
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Außerdem werden
der zweite Bereich 16 und der erste Bereich 19 als
Bestandteil der Kopplungsstruktur 4 von einem leitenden
Feldplattenkontakt 34 in einem Fenster 37 der
Isolationsschicht 35 gemeinsam kontaktiert. Dieser Feldplattenkontakt 34 ist nahe
dem sourceseitigen Ende 17 der Feldplatte 12, deren
Umrisse hier in gestrichelten Linien gezeigt werden, angeordnet
und bildet eine lokale Kopplungsstruktur 4.
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In
der Isolationsschicht 35 ist oberhalb der Bodyzone 33 eine
Steuerelektrode 36 als isolierte Gateelektrode G angeordnet.
Die erste Elektrode 7 bildet eine Sourceelektrode S, welche
den pn-Übergang
zwischen der n+-leitenden ersten oberflächennahen
Zone 8 und dem p-leitenden Bereich der Bodyzone 33 kurzschließt. Die
Steuerelektrode 36 beeinflusst als Gateelektrode G über ein
Gateoxid 43 die oberflächennahe
Feldverteilung in der Bodyzone 33 dahingehend, dass sich
beim Durchschalten des MOSFETs ein n-leitender Kanal bildet. Die
Gate elektrode kann auch beispielsweise in einem Graben angeordnet
sein.
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Ein
derartiges Halbleiterbauelement 1 hat den Vorteil, dass
bisherige komplementär
zur Driftstrecke 11 dotierte floatende erste Bereiche 19,
die mit Feldplatten gekoppelt sind, über einen zweiten Bereich 16,
der einen lokal begrenzten „punchthrough
effect" bzw. Durchgreifeffekt
zur Driftstrecke 11 aufweist, mit Feldplatten 12 gekoppelt
werden können,
ohne dass die Gefahr besteht, dass bei einem Schaltvorgang, bei
dem das Halbleiterbauelement 1 vom sperrenden in den leitenden
Zustand übergeht, Ladungsträger nicht
schnell genug in diese zufließen können, die
nun über
den Durchgreifeffekt zur Driftstrecke 11 des zweiten Bereichs 16 in
ausreichender Menge zur Verfügung
stehen. Hierbei werden die Feldplatten 12 zügig entladen.
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Kontaktiert
der Feldplattenkontakt 34 nicht den ersten Bereich 19,
so kann sich dennoch aufgrund der hohen Dotierung dieser beiden
Bereiche 16 bzw. 19 die Spannung nur um eine relativ
niedrige Zener/Avalanche-Spannung unterscheiden. Somit wird beim
Durchschalten einer gesperrten lateralen Driftzonenstruktur der
floatende p-leitende erste Bereich 19 bis auf diese niedrige
Zener/Avalanchespannung entladen werden.
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Anstelle
des n+-leitenden zweiten Bereichs 16 kann
ein metallischer oder z. B. amorphisierter Bereich in die Oberseite
des Halbleiterkörpers 5 eingebracht
werden. Auch ein derartig präparierter
zweiter Bereich 16 kann einen lokal begrenzten Durchgreifeffekt
aufweisen, der ein schnelles Entladen des ersten floatenden Bereichs 19 ermöglicht.
Dazu injiziert oder generiert der zweite Bereich 16 beim
Umschalten in den Durchlassfall Ladungsträger, die den komplementär dotierten
ersten Bereich 19 überschwemmen.
Im Sperrfall schirmt der erste Bereich 19 den zweiten Bereich 16 gegenüber der
zweiten Elektrode 9 ab, so dass Leckströme vermieden werden. Auch kann
der zweite Bereich 16 ein lokalisierter zweiter Bereich 16 mit
abgesenkter Generationslebensdauer sein, der einen lokal begrenzten
Durchgreifeffekt aufweist. Über
den lokal begrenzten Durchgreifeffekt kann das elektrische Feld
bis an den zweiten Bereich 16 durchgreifen und diesen und
den ersten Bereich 19 entladen.
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Das
in 3 und 4 gezeigte Halbleiterbauelement 2 besteht
wie das Halbleiterbauelement 1 der 1 und 2 aus
einem Halbleiterkörper 5. In
diesem Ausführungsbeispiel
wird jedoch nicht der Durchgreifeffekt zur Driftstrecke genutzt,
um eine Kopplung zu erreichen, sondern ein ohmscher Kontakt zwischen
dem Driftstreckenmaterial und dem zweiten Bereich 16 genutzt.
Auf der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers sind wieder eine erste
Elektrode 7, die mit einer ersten oberflächennahen
Zone 8 des Halbleiterkörpers 5 elektrisch
in Verbindung steht, und eine zweite Elektrode 9, die mit
einer zweiten oberflächennahen
Zone 10 des Halbleiterkörpers 5 elektrisch
in Verbindung steht, angeordnet. Zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode 7 bzw. 9 ist in dem Halbleiterkörper 5 eine
laterale Driftstrecke 11 angeordnet.
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Halbleiterbauelement 1.
In dieser Draufsicht sind die Strukturen oberhalb einer Oberseite 6 eines Halbleiterkörpers 5 bis
auf die Kopplungsstrukturen 4 zu einer Feldplatte 12 und
zu der Driftstrecke 11, weggelassen. Die Oberseite 6 des
Halbleiterkörpers 5 zeigt
die erste oberflächennahe
Zone 8 für
die erste Elektrode 7, die in 4 gezeigt
wird. Diese erste oberflächennahe
Zone 8 ist in dieser weiteren Ausführungsform der Erfindung streifenförmig und
n+-leitend und von einer streifenförmigen Bodyzone 33 umgeben,
die einen zu der Zone 8 komplementären Leitungstyp aufweist. An
die Bodyzone 33 schließt sich
in lateraler Richtung eine n–-leitende Driftstrecke 11 an,
die bis zu einer zweiten oberflächennahen Zone 10 für eine in 2 gezeigte
Elektrode 9 reicht und n+-leitend ist.
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In
der Driftstrecke 11 sind Feldplatten 12 in Grabenstrukturen 21 angeordnet,
die von einer isolierenden Schicht 24 auf den Grabenwänden 22 und 23 umgeben
sind. Dazu sind die Feldplatten 12 lateral ausgerichtet
und ragen vertikal in die Driftstrecke 11 hinein. Um eine
Kopplung der Feldplatt 12 zur Driftstrecke 11 zu
ermöglichen,
ist bei d11 eine Kopplungsstruktur 4 angeordnet,
welche nahe eines Endes 17 der Feldplatt 12 einen
n+-leitenden zweiten Bereich 16 aufweist,
der den ersten Bereich 19 überlappt und einen ohmschen
Kontakt zu der Driftstrecke 11 auf der Seite bildet, die
der ersten Elektrode 7 zugewandt ist.
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Der
erste Bereich 19, der komplementär zur Driftstrecke 11 dotiert
ist und der den zweiten Bereich 16 nur teilweise umgibt,
verhindert, dass die beim Umschalten in den sperrenden Zustand sich
ausbildende Raumladungszone in der Driftstrecke 11 bis an
den zweiten Bereich 16 heranreicht und sich Leckströme ausbreiten.
Die Feldplatten 12 nehmen lediglich dasjenige Potential
auf ihrer gesamten Länge auf,
das an der Driftstreckenlänge
d11 herrscht. Damit sich die Raumladungszone
von dem ersten Bereich 19 aus weiter in Richtung der zweiten
Elektrode ausbreiten kann, ist es günstig, wenn sie die Bereiche 19 und 16 so
weit wie möglich
umschließt,
wobei aber der ohmsche Kontakt zwischen dem zweiten Bereich 16 und
der Driftstrecke 11 gewährleistet
sein soll.
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Außerdem ist
der n+-leitende Bereich 16 und der
komplementär
dotierte erste Bereich 19 floatend angeordnet, der einen
pn-Übergang 20 mit
dem Material der Driftstrecke 11 bildet, wobei dieser pn-Übergang 20 bzw.
dieser komplementär
leitende erste Bereich 19 dafür sorgt, dass die Raumladungszone bzw.
die daraus resultierenden Äquipotentiallinien sich
zur zweiten oberflächennahen
Zone 10 hin, wie es auch 11 verdeutlicht, spreizen
so dass die Raumladungszone weiter in Richtung auf die zweite oberflächennahe
Zone 10 hin aufgespannt werden kann. Mit dieser Struktur
wird ermöglicht,
dass eine schnelle Kopplung der Feldplatten 12 ohne jede
Schwelle beim Übergang
des Transistors vom sperrenden in den leitenden Zustand erreicht
werden kann.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 1 gemäß 3,
wobei nun die Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 eine
auf die Oberseite 6 aufgebrachte Struktur mit einer Isolationsschicht 35 aufweist.
Die Isolationsschicht 35 besitzt Fenster 37 zu
der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5. Die erste
Elektrode 7 ist als Sourceelektrode S eines MOSFETS und
die zweite Elektrode 9 ist als Drainelektrode D in den
Fenstern 37 angeordnet, um die oberflächennahen Zonen 8 bzw. 10 zu
kontaktieren.
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Außerdem wird
in dieser Ausführungsform der
Erfindung lediglich der zweite Bereich 16 als Bestandteil
der Kopplungsstruktur 4 von einem leitenden Feldplattenkontakt 34 in
einem Fenster 37 der Isolationsschicht 35 kontaktiert.
Dieser Feldplattenkontakt 34 ist nahe dem sourceseitigen
Ende 17 der Feldplatte 12, deren Umrisse hier
in gestrichelten Linien gezeigt werden, angeordnet und bildet eine
lokale Koppelstruktur 4. Die Kopplungsstruktur 4 kann je
nach Ausgestaltung der Feldplatten und Dotierstoffverhältnisse
auch z. B. mittig in Bezug auf die Feldplatten oder in Richtung
eines Endes 18 der Feldplatten verschoben sein.
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In
der Isolationsschicht 35 ist oberhalb der Bodyzone 33 eine
Steuerelektrode 36 als isolierte Gateelektrode G angeordnet.
Die erste Elektrode 7 bildet eine Sourceelektrode S, welche
den pn-Übergang
zwischen der n+-leitenden ersten oberflächennahen
Zone 8 und dem p-leitenden Bereich der Bodyzone 33 kurzschließt. Die
Steuerelektrode 36 beeinflusst als Gateelektrode G über ein
Gateoxid 43 die oberflächennahe
Feldverteilung in der Bodyzone 33 dahingehend, dass sich
beim Durchschalten des MOSFETs ein n-leitender Kanal bildet.
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Dazu
kann der zweite Bereich 16 über ein metallisches oder ein
anderes Ladungsträger
generierendes Gebiet mit dem komplementär dotierten floatenden ersten
Bereich 19 gekoppelt sein. Dieser zweite Bereich 16 kann
demnach nicht nur wie oben beschrieben über einen pn-Übergang
an den ersten Bereich 19 gekoppelt sein, sondern auch über einen ohmschen
Kontakt. Dazu kann der ohmsche Kontakt über eine metallische Schicht
oder auch über
ein auf der Oberseite des Halbleiterköpers 5 angeordnetes Metall
realisiert sein.
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Ein
derartiges Halbleiterbauelement 2 hat den Vorteil, dass
bisherige komplementär
zur Driftstrecke 11 dotierte floatende erste Bereiche 19,
die mit Feldplatten 12 gekoppelt sind, über einen zweiten Bereich 16,
der einen ohmschen Kontakt zur Driftstrecke 11 aufweist,
mit Feldplatten gekoppelt werden können, ohne dass die Gefahr
besteht, dass bei einem Schaltvorgang, bei dem das Halbleiterbauelement 2 vom
sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, Ladungsträger nicht
schnell genug in diese zufließen
können,
die nun über
den ohmschen Kontakt zur Driftstrecke 11 des zweiten Bereichs 16 in ausreichender
Menge zur Verfügung
stehen. Hierbei werden die Feldplatten zügig entladen.
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In
dieser in 4 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung wird die Kopplung durch den zweiten Bereich 16 beschleunigt,
der in Richtung auf die erste Elektrode 7 auf der Oberseite 6 des
Halbleiterkörpers 6 ausgerichtet
ist und zur zweiten Elektrode 9 des Halbleiterkörpers 5 hin
durch den ersten floatenden komplementär dotierten Bereich 19 abgeschirmt
ist. In dieser Ausführungsform
der Erfindung ist somit zwischen dem hochdotiertem zweiten Bereich 16 und
dem, komplementär
dotiertem ersten Bereich 19 ein pn-Übergang angeordnet, der einen ohmschen
Kontakt zur Driftstrecke 11 darstellt und der durch den
ersten komplementär
dotierten Bereich 19 im Sperrfall abgeschirmt ist. Die
Kopplung zwischen den Bereichen 16 und 19 erfolgt über den pn-Zenerübergang.
Dabei weist der zweite Bereich 16 zur ersten Elektrode 7 hin
ein n+-Gebiet auf, das Kontakt zu einer
n–-Driftzone 11 hat
und zur zweiten Elektrode 9 hin durch den floatenden p-leitenden
ersten Bereich 19 abgeschirmt ist.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Ausführungsform der
Kopplungsstruktur 4 ist es, dass sie vielfach eingesetzt
werden kann. So kann sie allgemein zur Entladung von beliebig strukturierten
komplementär
dotierten floatenden ersten Bereichen 19 in der Driftstrecke 11 eingesetzt
werden.
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Weiterhin
ist es vorgesehen, um den oben erwähnten ohmschen Kontakt zu realisieren,
dass die Kopplungsstruktur 4 im Ladungsträger injizierenden
oder generierenden zweiten Bereich 16 Fremdatome aufweist,
die wie ein ohmscher Kontakt zur umgebenden lateral ausgerichteten
Driftstrecke 11 wirken, wobei Fremdatome oder Kristalldefekte
mit tiefen Zentren in der Bandlücke
eine Generation von Ladungsträgern
ermöglichen.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung von mehreren Halbleiterchips für Halbleiterbauelemente 1 oder 2 mit
Feldplattenkopplungsstruktur 4 zu einer Driftstrecke 11 weist
das Verfahren nachfolgende Verfahrensschritte auf. Zunächst wird
ein Halbleiterwafers aus einem Halbleiterkörper 5 mit Halbleiterbauteilstrukturen
in Halbleiterchippositionen, die für laterale Dioden-, MOSFET-
und/oder IGBT-Strukturen geeignet sind, präpariert. Dafür wird eine
laterale Driftstrecke 11 zwischen einer ersten oberflächennahen
Zone 8 des Halbleiterkörpers 5 und
einer zweiten oberflächennahen
Zone 10 des Halbleiterkörpers 5,
sowie für
eine erste Elektrode 7 bzw. eine zweite Elektrode 9 vorgesehen.
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Als
erstes werden Dotierstoffe komplementären Leitungstyps zu der Driftstrecke 11 bei
gleichen Driftstreckenlängen
d11 für
floatende erste Bereiche 19 in die Driftstrecke 11 eingebracht.
Danach werden Dotierstoffe gleichen Leitungstyps zu der Driftstrecke 11 bei
gleichen Driftstreckenlängen
d11 in höherer Konzentration
als die Driftstrecke 11 für hochdotierte zweite Bereiche 16 als
Kopplungsstruktur 4 nahe einem so genannten „low voltage
point" 65 des
ersten Bereichs 19 eingebracht. Zusätzlich werden lateral ausgerichtete
vertikale Grabenstrukturen 21 in die laterale Driftstrecke 11,
die sich bis in die Kopplungsstruktur 4 erstrecken, vorbereitet.
Eine isolierende Schicht wird auf den Wänden 22 und 23 der
Grabenstrukturen 21 abgeschieden. Danach werden die Grabenstrukturen 21 mit
einem leitenden Material zu Feldplatten 12 aufgefüllt und
die lateralen Dioden-, MOSFET- und/oder IGBT-Strukturen vollendet, wobei beim Aufbringen
der ersten und zweiten Elektrode 7 und 9 Feldplattenkontakte 34 zwischen
den Feldplatten 12 und mindestens dem zweiten Bereich 16 hergestellt
werden.
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Die
Reihenfolge der einzelnen Prozessschritte kann auf vielfältige Weise
verändert
werden. So ist es bei thermischen Oxiden im Trench sinnvoll, die
Dotierstoffgebiete erst nach Fertigstellung von Trenches und Feldplatten
einzubringen, damit die Ausdiffusion begrenzt bleibt.
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Bei
diesem Verfahren ist es vorgesehen, dass die Grabenstrukturen 21 sowie
die Kopplungsstrukturen 4 auf Halbleiterwaferbasis hergestellt
werden können,
noch bevor der Halbleiterwafer in einzelne Halbleiterchips aufgetrennt
wird. Dieses verbilligt die Herstellung einzelner Halbleiterchips.
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Ein
Verfahren zur Herstellung von mehreren Halbleiterbauelementen 1 oder 2 weist
die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterwafer
gemäß der oben
geschilderten Fertigungsschritte mit mehreren Halbleiterchips für Halbleiterbauelemente 1 oder 2 mit
Kopplungsstruktur 4 für
Feldplatten 12 hergestellt. Anschließend wird der Halbleiterwafer
in Halbleiterchips aufgetrennt. Ein Teil dieser Halbleiterchips
wird auf einen Bauelementträger
mit mehreren Außenkontakten
in mehreren Halbleiterbauteilpositionen aufgebracht. Die Elektroden 7 und 9 der
Halbleiterchips werden mit Kontaktanschlussflächen, die mit den Außenkontakten
elektrisch in Verbindung stehen, über Verbindungselemente verbunden.
Danach kann ein Aufbringen eines Halbleiterbauelementgehäuses unter Einschließen der
einzelnen Halbleiterchips und der Verbindungselemente erfolgen und
schließlich
wird der Schaltungsträger
in einzelne Halbleiterbauelemente mit Entladestruktur 4 aufgetrennt.
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Auch
dieses Verfahren hat den Vorteil, dass parallel eine Mehrzahl von
Halbleiterbauelementen hergestellt werden kann. Dazu können die
Schritte, wie Aufbringen von Halbleiterchips, Einbringen von Verbindungselementen
und das Häusen
der Halbleiterchips gleichzeitig durchgeführt werden.
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Das
in 5 und 6 gezeigte Halbleiterbauelement 3 besteht
aus einem Halbleiterkörper 5, auf
dessen Oberseite 6 eine erste Elektrode 7, die
mit einer ersten oberflächennahen
Zone 8 des Halbleiterkörpers 5 elektrisch
in Verbindung steht, und eine zweite Elektrode 9, die mit
einer zweiten oberflächennahen
Zone 10 des Halbleiterkörpers 5 elektrisch
in Verbindung steht, angeordnet sind. Zwischen der ersten und der
zweiten Elektrode 7 bzw. 9 ist in dem Halbleiterkörper 5 eine
laterale Driftstrecke 11 angeordnet.
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5 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Halbleiterbauelement 3.
In dieser Draufsicht sind die Strukturen oberhalb einer Oberseite 6 eines Halbleiterkörpers 5 bis
auf eine Leiterbahn 14, die Teil einer Entladestruktur 52 ist,
weggelassen. Die Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 zeigt
eine erste oberflächennahe
Zone 8 für
eine erste Elektrode 7, die in 6 gezeigt
wird. Diese erste oberflächennahe
Zone 8 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung n+-leitend und von einer Bodyzone 33 umgeben,
die einen zu der Zone 8 komplementären Leitungstyp aufweist.
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An
die Bodyzone 33 schließt
sich eine n–-leitende
Driftstrecke 11 an, die bis zu einer zweiten oberflächennahen
Zone 10 für
eine in 6 gezeigte Elektrode 9 reicht
und ebenfalls n+-leitend ist. In der Driftstrecke 11 sind
Feldplatten 12 in Grabenstrukturen 21 angeordnet,
die von einer isolierenden Schicht 24 auf den Grabenwänden 22 und 23 umgeben
sind. Dazu sind die Feldplatten 12 lateral ausgerichtet
und ragen vertikal in die Driftstrecke 11 hinein.
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Um
ein Laden und Entladen der Feldplatten 12 zu ermöglichen,
ist bei d11 eine Leiterbahn 14 angeordnet,
welche die Feldplatten 12 nahe einer ihrer Enden 17 elektrisch
verbindet und einen n+-leitenden streifenförmigen zweiten
Bereich 16 in der Driftstrecke 11 bei d11 kontaktiert. Ein ebenfalls streifenförmiger erster
Bereich 19 der komplementär zur Driftstrecke 11 dotiert
ist und den der zweite Bereich 16 zur ersten Elektrode 7 hin überlappt
verhindert, dass die beim Umschalten in den sperrenden Zustand sich ausbildende
Raumladungszone in der Driftstrecke 11 bis an den zweiten
Bereich 16 und die Leiterbahn 14 heranreicht und
sich Leckströme
ausbreiten. Die Feldplatten 12 nehmen lediglich dasjenige
Potential auf ihrer gesamten Länge
auf, das an der Driftstreckenlänge
d11 herrscht, wobei der zweite Bereich 16 durch
einen ohmschen Kontakt mit der Driftstrecke 11 in leitender
Verbindung steht.
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Außerdem ist
in Richtung auf die zweite oberflächennahe Zone 10 neben
und unter dem n+-leitenden Bereich 16 der
komplementär
dotierte erste Bereich 19 floatend angeordnet, der einen pn-Übergang 20 mit
dem Material der Driftstrecke 11 bildet, wobei dieser pn-Übergang 20 bzw.
dieser komplementär
leitende erste Bereich 19 dafür sorgt, dass die Raumladungszone
bzw. die daraus resultierenden Äquipotentiallinien
sich zur zweiten oberflächennahen
Zone 10 hin, wie es auch 11 verdeutlicht,
spreizen so dass die Raumladungszone weiter in Richtung auf die
zweite oberflächennahe
Zone 10 hin aufgespannt werden kann. Mit dieser Struktur, insbesondere
mit der Leiterbahn 14 auf gleicher Driftstreckenlänge d11 wird ermöglicht, dass eine schnelle Entladung
der Feldplatten 12 ohne jede Schwelle beim Übergang
des Transistors vom sperrenden in den leitenden Zustand erreicht
werden kann.
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6 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 3 gemäß 5,
wobei nun die Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 eine
auf die Oberseite 6 aufgebrachte Struktur aus einer Isolationsschicht 35 aufweist.
Die Isolationsschicht 35 besitzt Fenster 37 zu
der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5. Die erste
Elektrode 7 ist als Sourceelektrode S eines MOSFETS und
die zweite Elektrode 9 ist als Drainelektrode D in den
Fenstern angeordnet, um die oberflächennahen Zonen 8 bzw. 10 zu
kontaktieren. Außerdem
ist die Leiterbahn 14 als Bestandteil der Entladestruktur 52 in
einem Fenster 37 der Isolationsschicht 35 angeordnet
und kontaktiert die Feldplatten 12 nahe dem sourceseitigen Ende 17 der
Feldplatte 12, deren Umrisse hier in gestrichelten Linien
gezeigt werden. Außerdem
kontaktiert die Leiterbahn 14 den streifenförmigen n+-leitenden zweiten Bereich 16,
welcher in Zusammenwirken mit der Leiterbahn 14 und dem
streifenförmigen
ersten Bereich 19 die Entladestruktur 52 für die Feldplatten 12 bildet.
Während
in dieser Ausführungsform
der Erfindung der erste Bereich 19 und der zweite Bereich 16 sowie
die Leiterbahn 14 in der in 5 gezeigten
Draufsicht streifenförmig
ausgebildet sind, kann eine derartige Leiterbahn 14 auch
die wie in den 1 bis 4 gezeigt
einzelne lokal angeordnete Koppelstrukturen 4 zu einer
Entladestruktur elektrisch verbinden.
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In
der Isolationsschicht 35 ist oberhalb der Bodyzone 33 eine
Steuerelektrode 36 als isolierte Gateelektrode G angeordnet.
Die erste Elektrode 7 bildet eine Sourceelektrode S, welche
den pn-Übergang
zwischen der n+-leitenden ersten oberflächennahen
Zone 8 und dem p-leitenden Bereich der Bodyzone 33 kurzschließt. Soll
das Bauelement auch in Rückwätsrichtung
für einige
Volt sperren, so werden die erste Zone 8 und die Bodyzone 33 nicht
kurzgeschlossen. Die Steuerelektrode 36 beeinflusst als Gateelektrode
G über
ein Gateoxid 43 die oberflächennahe Feldverteilung in
der Bodyzone 33 dahingehend, dass sich beim Durchschalten
des MOSFETs ein n-leitender Kanal bildet.
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Die
Entladestruktur 52 weist wie oben erwähnt nicht nur die Leiterbahn 14 auf,
sondern auch in dieser Ausführungsform
die zwei streifenförmige Bereiche 16 und 19,
wobei der hoch dotierte n+-leitende zweite
Bereich 16 in den p-leitenden ersten Bereich 19 hineinragt,
so dass ein mondsichelförmiger pn-Übergang 20/71 im
Querschnitt der Entladestruktur 52 entsteht. Die Bedeutung
dieser beiden streifenförmigen
Bereiche 16 und 19 wurde bereits in den vorhergehenden
Figuren erörtert,
so dass sich eine erneute Beschreibung erübrigt.
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Ein
derartiges Halbleiterbauelement 3 hat den Vorteil, dass
die Feldplatten 12 über
zweite Bereiche 16, die zu der Driftstrecke ohmsche Kontakte aufweisen,
entladen werden können,
ohne dass die Gefahr besteht, dass bei einem Schaltvorgang, bei dem
das Halbleiterbauelement 3 vom sperrenden in den leitenden
Zustand übergeht,
nicht schnell genug in diese zufließen können, die nun über die
ohmschen Kontakte der zweiten Bereiche 16 in ausreichender
Menge zur Verfügung
stehen.
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Auch
entsteht kein zusätzliches
vertikales elektrisches Feld, das sich mit dem Feld der Driftstrecke 11 überlagert,
wie bei einer Entladestruktur mit Hilfe zusätzlicher p-Entlade-strukturen.
Somit wird mit einer derartigen Ausführungsform die Sperrfähigkeit
des Halbleiterbauelements 3 trotz Entladestruktur 52 nicht
reduziert. Schließlich
bilden sich bei der Nutzung der ohmschen Kontaktierung zur Driftstrecke
im sogenannten „low
voltage point" keine
endlichen Restspannungen wie bei Entladestrukturen über p-Kanal-Transistorstrukturen
aus, so dass eine komplette Entladung der komplementär dotierten floatenden
ersten Bereiche 19 und der Feldplatten 12 möglich ist.
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Das
Halbleiterbauelement 3 weist dabei die Entladestruktur 52 auf,
bei welcher der zweite Bereich 16 einen ohmschen Kontakt
zur Driftstrecke 11 bildet, der hochdotiert ist und den
gleichen Ladungsträgertyp,
wie die Driftstrecke 11 aufweist. Der zweite Bereich 16 ist
dabei gegenüber
der zweiten Elektrode durch den ersten komplementär dotierten
Bereich 19 im Sperrfall abgeschirmt. Durch diese Abschirmung befindet
sich der zweite Bereich 16 nicht im Bereich der Raumladungszone,
die sich im Sperrfall ausgehend von der zweiten Elektrode 9 bildet,
so dass in vorteilhafter Weise keine Leckströme verursacht werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
sind in der Driftstrecke 11 isoliert die Feldplatten 12,
welche die Feldverteilung in der Driftstrecke 11 beeinflussen,
lateral ausgerichtet und ragen in die Driftstrecke 11 vertikal hinein.
Die Feldplatten 12 sind mit einer Entladestruktur 52 elektrisch
gekoppelt, über
welche die Feldplatten 12 durch einen ohmschen Kontakt
miteinander elektrisch gekoppelt sind. Dazu weist die Entladestruktur 52 elektrisch
leitende Leiterbahnen 14 auf der Oberseite 6 des
Halbleiterkörpers 5 auf,
welche die Feldplatten 12 gruppenweise und/oder in einer
Ringleitung miteinander bei gleichen Driftstreckenlängen d11 elektrisch verbinden. Dabei kontaktieren
die Leiterbahnen 14 die zweiten Bereiche 16 der
Entladestruktur 4. Dabei sind die zweiten Bereiche 16 in
Richtung auf die erste Elektrode 7 ausgerichtet und werden mit
Hilfe der ersten Bereiche 19, die komplementär zur Driftstrecke 11 dotiert
sind, in Richtung auf die zweite Elektrode 9 abgeschirmt.
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Diese
Entladestruktur 52 hat den Vorteil, dass durch die quer
zur Driftstrecke 11 angeordneten Leiterbahnen 14 der
Entladestruktur 52 die Driftstrecke 11 selbst
nicht kurzgeschlossen wird, da die elektrisch leitenden Leiterbahnen 14 auf
gleichen Driftstreckenlängen
d11 angeordnet sind. Bei dieser Driftstreckenlänge d11 hat die Driftstrecke 11 für alle Feldplatten 12 ein
gleiches Potential, so dass durch die kurzschließenden Leiterbahnen die Wirkungsweise der
Driftstrecke 11 nicht beeinträchtigt wird. Andererseits kann
bei dem Umschalten vom Sperrfall in den leitenden Fall jede der
Feldplatten 12 über
die zugeordnete Leiterbahn 14 vollständig und kurzzeitig entladen
werden. Die Schwierigkeit, über
floatende Bereiche die Feldplatten 12 und/oder die floatenden
Bereiche 19 zu entladen, stellt sich nicht mehr.
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Da
zunächst
auch durch die ohmsche Kontaktierung zu der Driftstrecke keine pn-Übergänge vorgesehen
sind, die sich dem lateralen Feld überlagern, wird auch die Sperrfähigkeit
des Halbleiterbauelements 1 nicht reduziert. Schließlich müssen auch nicht,
wie im Fall einer Entladestruktur mit p-Kanal-MOSFETs-Strukturen, Einsatzspannungen überwunden
werden. Vielmehr sind die Feldplatten 12 durch den ohmschen
Kontaktübergang
zu den Leiterbahnen 14, welche die Driftstrecke 11 auf Äquipotentiallinien
kreuzen, elektrisch verbunden und können somit die Feldplatten 12 vollständig entladen.
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Eine
derartige Entladestruktur 52 für Feldplatten 12 kreuzt
mit ihren Leiterbahnen 14 senkrecht die in lateraler Richtung
angeordneten Feldplatten 12 und ist bei gleichen Driftstre ckenlängen d11 angeordnet, wobei die Driftstrecke 11 unterhalb
dieser Leiterbahnen 14 der Entladestruktur 52 einen
hochdotierten zweiten Bereich 16 vom gleichen Leitungstyp
wie die Driftstrecke 11 aufweist. Dadurch entsteht ein ohmscher
Kontakt auf gleicher Potentiallinie des Halbleiterkörpers 5 des
Halbleiterbauelements 3, so dass jede Feldplatte 12,
die von den Leiterbahnen 14 kontaktiert wird, auf diesem
Potential verbleibt. Ferner unterstützen die hoch dotierten n+-leitenden
zweiten Bereiche 16 unterhalb der Leiterbahnen 14 die niederohmige
Verbindung zwischen den Feldplatten 12 und stellen einen
niederohmigen Kontaktwiderstand zu den Feldplatten 12 sicher.
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Ferner
ist es vorgesehen, dass die Feldplatten 12 ein erstes und
ein zweites Ende 17 und 18 aufweisen, wobei das
erste Ende 17 zur ersten Elektrode 7 hin und das
zweite Ende 18 zur zweiten Elektrode 9 hin ausgerichtet
ist, und wobei die Leiterbahnen 14 der Entladestruktur 4 die
Feldplatten 12 nahe ihrer ersten Enden 17 gruppenweise
oder in einer Ringleitung kontaktieren. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass
die Leiterbahnen 14 die Feldplatten 12 an einer beliebigen
Stelle kreuzen.
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Außerdem kann
ein komplementär
dotierter erster Bereich 19 zur zweiten Elektrode 9 hin
unter Bildung eines pn-Übergangs
an dem hochdotierten zweiten Bereich 16 angeordnet sein.
Dieser komplementär
dotierte erste Bereich 19 bildet einen sperrenden pn-Übergang 20 aus
und spannt die Raumladungszone weiter in Richtung der zweiten Elektrode 9 auf.
Dabei ist dieses p-leitende Gebiet vorzugsweise floatend. Der Vorteil
dieser Struktur ist das schnelle Entladen der Feldplatten 12 ohne
jede Schwelle beim Übergang
des Halbleiterbauelements 3 vom sperrenden in den leitenden
Zustand. Zudem wird die Höhe
der Driftstrecke 11 zwischen den Feldplattenanschlüssen nicht
durch ein p-leitendes Gebiet wie im Stand der Technik eingeschränkt, wodurch
ein niedriger Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements 3 erreicht
werden kann.
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Das
elektrisch leitende Material der Feldplatten 12 kann ein
Metall aufweisen oder ein hochdotiertes, beispielsweise n+- oder
p+-leitendes Polysilizium sein. In beiden
Fällen
ist eine ohmsche Kontaktierung durch Leiterbahnen 14 problemlos
möglich,
wobei die Feldverteilung innerhalb der Feldplatte 12 von
einem Ende 17 der Feldplatte 12 zum anderen Ende 18 der
Feldplatte 12 ein konstantes Potential aufweist. Die isolierende
Schicht 24, welche die Feldplatten 12 umgibt,
weist beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid auf, wobei
das Siliziumdioxid durch thermische Oxidation des Siliziums der
Grabenwände 22 und 23 gebildet
werden kann.
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Weiterhin
ist es vorgesehen die erste und die zweite Elektrode 7 und 9 als
Kammstrukturen mit Kammrücken
und senkrecht zum Kammrücken
angeordneten Kammstegen auszubilden, wobei die Kammstege der Kammstrukturen
ineinander angeordnet sind und zwischen den Kammstegen eine laterale
Driftstrecke 11 ausgebildet wird. In diese laterale Driftstrecke 11 können dann
isolierte Feldplatten 12 lateral ausgerichtet vertikal
hineinragen, während die
Leiterbahnen 14 einer Entladestruktur 52 nun mäanderförmig zwischen
den Kammstegen die Feldplatten 12 untereinander bei gleichen
Driftstreckenlängen
d elektrisch verbinden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird
das Prinzip der Feldplatten 12 und der Feldplattenentladung
lediglich auf komplexere Strukturen der ersten bzw. der zweiten Elektrode 7 und 9,
wie sie 9 zeigt, übertragen.
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Die
erfindungsgemäße Entladestruktur 52 kann
sowohl auf Dioden als auch auf MOSFETs, als auch auf IGBTs und auf
JFETs angewandt werden. Wird das Halbleiterbauelement als Diode
ausgebildet, so ist die erste Elektrode eine Anode und die zweite
Elektrode eine Kathode. Dazu weist die erste oberflächennahe
Zone 8 des Halbleiterkörpers 5 einen
zweiten Leitungstyp und die zweite oberflächennahe Zone 10 des
Halbleiterkörper 5 einen
ersten Leitungstyp auf, wobei die Dotierstoffkonzentration der Driftstrecke 11 deutlich
niedriger ist, als die Dotierstoffkonzentration der zweiten oberflächennahen Zone 10 des
Halbleiterkörpers 5.
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Wird
die Entladestruktur für
ein Halbleiterbauelement des MOSFET-Typs eingesetzt, so weist die
erste Elektrode 7 eine Sourceelektrode S und die zweite
Elektrode 9 eine Drainelektrode D auf, wie es in 6 gezeigt
wird. Unterhalb der Sourceelektrode S und unterhalb der Drainelektrode
D ist eine hochdotierte Halbleiterzone 8 bzw. 10 des
gleichen Leitungstyps wie die Driftstrecke 11 angeordnet.
Außerdem
wird diese Sourcehalbleiterzone von einer Bodyzone 33 eines
zu der Driftstrecke 11 und zu den hochdotierten Halbleiterzonen 8 bzw. 10 komplementären Leitungstyps
umgeben. Der Aufbau, zumindest was die Driftstrecke 11 betrifft,
ist beim Halbleiterbauelement des MOSFET-Typs und beim Halbleiterbauelement
des IGBT-Typs zwar gleich, jedoch ist die erste Elektrode 7 beim
IGBT-Typ eine Emitterelektrode E und die zweite Elektrode 9 eine
Kollektorelektrode KE. Unterhalb der Emitterelektrode E ist eine hochdotierte
Emitterhalbleiterzone des gleichen Leitungstyps wie die Driftstrecke 11 angeordnet,
wobei diese Emitterhalbleiterzone von einer Bodyzone 33 eines
zu der Driftstrecke 11 komplementären Leitungstyps umgeben ist,
und wobei unterhalb der Kollektorelektrode KE eine Halbleiterzone
des komplementären
Leitungstyps zu der Driftstrecke 11 angeordnet ist. Von
der Emitterelektrode E aus gesehen ergibt sich somit eine npnp-Struktur,
die über
eine isolierte Gateelektrode G für
den Durchlassfall durch die Kombination von einem n-Kanal MOS und
einem pnp-Transistor, wobei die Basis des pnp-Transistors über den
MOS angesteuert wird.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 3 mit
Feldplatten gemäß 5 und 6 wird
zunächst
wie oben für
die Halbleiterbauelemente 1 und 2 beschrieben
ein Halbleiterwafer aus einem Halbleiterkörper 5 mit Halbleiterbauteilstrukturen
in Halbleiterchippositionen strukturiert. Nach dieser Strukturierung
erfolgt ein streifenförmiges
oder ringförmiges
oder inselförmiges
Einbringen von Dotierstoffen komplementärer Leitfähigkeit zu der Driftstrecke 11 in
höherer
Konzentration als die Driftstrecke 11 auf gleicher Driftstreckenlänge d11 für
einen ersten Bereich 19. Anschließend erfolgt ein streifenförmiges oder
ringförmiges
oder inselförmiges
Einbringen von Dotierstoffen gleicher Leitfähigkeit wie die Driftstrecke 11 in
höherer
Konzentration als der erste floatende komplementäre Bereich 19 für einen
zweiten Bereich 16 bei gleicher Driftstreckenlänge d11 für
eine Entladestruktur 52.
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Danach
kann ein Einbringen von lateral ausgerichteten, vertikalen Grabenstrukturen 21 in
die laterale Driftstrecke 11 unter Kreuzen der Entladestruktur 52 eingebracht
werden. Anschließend
erfolgt ein Abscheiden einer isolierenden Schicht 24 auf
den Wänden 22 und 23 der
Grabenstrukturen 21 und ein Auffüllen der Grabenstrukturen 21 mit
einem leitenden Materi al. Danach werden die lateralen Dioden-, MOSFET-
und/oder IGBT-Strukturen vervollständigt, indem mindestens eine
strukturierte Isolationsschicht 35 auf den Halbleiterwafer
aufgebracht wird. Danach erfolgt ein Abscheiden von Elektroden 7 und 9 sowie von
Leiterbahnen 14 der Entladestruktur 52 in Fenstern
der Isolationsschicht 35, womit die Feldplatten 12 gruppenweise
und/oder in einer Ringleitung miteinander über die Leiterbahnen 14 bei
gleichen Driftstreckenlängen
d11 elektrisch verbunden werden. Bei diesem
Verfahren ist es vorgesehen, dass die Grabenstrukturen 21 sowie
die Kopplungsstrukturstrukturen 4 auf Halbleiterwaferbasis
hergestellt werden können,
noch bevor der Halbleiterwafer in einzelne Halbleiterchips aufgetrennt
wird. Dieses verbilligt die Herstellung einzelner Halbleiterchips.
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In
einer weiteren Durchführung
des Verfahrens wird vor dem Einbringen von Dotierstoffen gleicher
Leitfähigkeit
wie die Driftstrecke 11, ein streifenförmiger oder ringförmiger oder
inselförmiger
komplementär
dotierter Bereich unter Bildung eines pn-Übergangs zu dem Driftstreckenmaterial
eingebracht. Dieses hat den Vorteil, dass in Richtung auf die zweite
Elektrode 9 hin ein pn-Übergang
entsteht, welcher die Raumladungszone in Richtung auf die zweite
Elektrode 9 aufspannt. Für das Einbringen dieses komplementär dotierten
Bereichs wird wiederum eine maskierende Schicht aufgebracht, jedoch mit
breiteren Fenstern zum Eindringen von Dotierstoff als für das Einbringen
der hochdotierten Bereiche. Für
das Einbringen der hochdotierten Bereiche werden in die Fenster
der maskierenden Schicht weitere Fenster eingebracht, die jedoch
gegenüber
den breiten Fenstern für
den komplementären
Bereich in Richtung auf die erste Elektrode versetzt angeordnet sind.
Diese Bereiche werden außerdem
schmaler als die ersten ausgeführt.
Dadurch wird erreicht, dass die Raumladungszone, die sich zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode im Sperrfall ausbildet, nicht
die Leiterbahn der Entladestruktur 52 und damit die Feldplatten 12 selbst
erreicht.
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Zum
streifenförmigen
Einbringen von Dotierstoffen für
die Entladestruktur 52 kann eine Innenimplantation mit
anschließender
Diffusion der eingebrachten Dotierstoffe durchgeführt werden.
Außerdem
ist es möglich,
zunächst
eine dotierstoffhaltige Schicht auf der maskierenden Schicht abzuscheiden und
anschließend
eine Eindiffusion der Dotierstoffe in den Halbleiterwafer an den
Stellen durchzuführen, die
für das
streifenförmige
Anbringen von Dotierstoffen vorgesehen sind.
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Auch
vor dem Einbringen von lateral ausgerichteten, vertikalen Grabenstrukturen 21 in
die laterale Driftstrecke 11 wird zunächst eine strukturierte maskierende
Schicht auf den Halbleiterwafer aufgebracht, die Fenster in den
Bereichen der Feldplatten 12 aufweist. Anschließend kann
eine anisotrope Ätzung
erfolgen, bei der das Driftstreckenmaterial im Bereich der Grabenstrukturen 21 entfernt
wird und Grabenstrukturen 21 in die laterale Driftstrecke 11 vertikal
eindringen. Dazu wird vorzugsweise als anisotropes Ätzverfahren
eine reaktive Ionenätzung durchgeführt, bei
der reaktive Ionen aus einem Ionenplasma in Richtung auf die Oberseite 6 des
Halbleiterkörpers 5 beschleunigt
werden. Nachdem die Grabenstruktur 21 in der Weise hergestellt
ist, können
die Wände 22 und 23 der
Grabenstruktur 21 durch eine isotrope Oxidation des Driftstreckenmaterials
mit einer isolierenden Schicht 24 versehen werden. Außerdem ist
es möglich,
auf den Grabenwänden 22 und 23 auch
eine Siliziumnitridschicht oder TEOS-Schicht aus der Gasphase abzuscheiden.
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Zum
Auffüllen
der Grabenstruktur 21 mit einem leitenden Material kann
ein hochdotiertes leitendes Polysilizium in den Grabenstrukturen 21 abgeschieden
werden. Soll die Feldplatte 12 als leitendes Material Metall
aufweisen, so kann dieses chemisch oder galvanisch abgeschieden
werden und dabei die Grabenstruktur 21 auffüllen. Mit
diesen Materialien in der Grabenstruktur 21 kann der Einschaltwiderstand derartiger
Halbleiterbauelemente 1, 2 und 3 herabgesetzt
werden.
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Zum
selektiven Abscheiden von Elektroden sowie Leiterbahnen der Entladestruktur 52 können stromlose
chemische oder elektrolytische Verfahren zur Metallabscheidung vorgesehen
werden. Jedoch ist es auch hier möglich, insbesondere die Leiterbahnen 14 der
Entladestruktur 52 durch Abscheidung von hoch dotiertem
Polysilizium auszuführen,
wobei zur Kontaktierung gegebenenfalls Silizide unter dem Poly angeordnet
werden. Vorzugsweise wird auch ein Abscheiden von Leiterbahnen 14 der
Entladestruktur 52 durch Abscheidung von Aluminium in einer Verdampfungsanlage
durchgeführt.
Dieses Verfahren hat sich einerseits bewährt und ist andererseits preiswert
und für
den gesamten Halbleiterwafer durchführbar. Das Einbringen in ein
Gehäuse
kann entweder durch das Vergießen
in eine Kunststoffgehäusemasse
oder durch Einbringen der Komponenten des Halbleiterbauelements
in vorbereitete Hohlraumgehäuse
erfolgen.
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7 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 40 einer
weiteren Ausführungsform.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren
werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die
Entladestruktur 52 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung mehrere
parallel laufende Leiterbahnen 14a, 14b und 14c auf,
welche durch unmittelbaren Kontakt mit den Feldplattengruppen 25, 26 und 27 diese
gruppenweise angeordneten Feldplatten 12a, 12b und 12c bei
Umschalten des Halbleiterbauelements 2 von dem Sperrfall
in den Durchlassfall entladen können.
Dazu sind die Leiterbahnen 14a, 14b und 14c auf
drei unterschiedlichen Driftstreckenlängen d11,
d12 und d13 angeordnet.
Die gesamte Driftstrecke 11 ist somit in einzelne Abschnitte
aufgeteilt, was den Vorteil hat, dass die Potentialdifferenz innerhalb
der Driftstrecke von einem Ende 17 zum anderen Ende 18 jeder
Feldplatte 12a, 12b und 12c geringer
ist, als wenn die gesamte Driftstrecke 11 nur mit einer
einzigen langgestreckten Feldplatte 12 ausgestattet ist.
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Dieses
bedeutet auch, dass die Dicke der isolierenden Schicht 24,
die jede Feldplatte 12a, 12b und 12c umgibt,
minimiert werden kann, wobei die Feldplatten 12a, 12b und 12c jeweils
ein konstantes Potential auf ihrer Länge aufweisen bzw. halten,
das durch die Driftstreckenlängen
d11, d12 und d13 gegeben ist. Die Entladestruktur 52 weist
unterhalb der Leiterbahn 14a, 14b und 14c wiederum
hoch dotierte n+-leitende zweite Bereiche 16a, 16b bzw. 16c auf, die
in streifenförmigen
gleitenden ersten Bereichen 19a, 19b und 19c angeordnet
sind und einen ohmschen Kontakt zu der Driftstrecke 11 aufweisen. Durch
die Bildung der Feldplattengruppen 25, 26 und 27 kann
somit eine dünnere
isolierende Schicht 24 um jede der Feldplatten 12a, 12b und 12c zum Schutz
gegenüber
dem Potential der Driftstrecke 11 vorgesehen werden, wodurch
weniger Material der Driftstrecke 11 für die Feldplattenstrukturen
benötigt wird.
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8 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement 40 gemäß 7,
wobei nun die Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 eine
auf die Oberseite 6 aufgebrachte Struktur aus einer Isolationsschicht 35 aufweist.
Auf der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 ist nun eine
Steuerstruktur mit einer Steuerelektrode 36 als isolierte
Gateelektrode G zu sehen. Ferner ist als erste Elektrode 7 eine
Sourceelektrode S und als zweite Elektrode 9 eine Drainelektrode
D gezeigt. Die Leiterbahnen 14a, 14b und 14c gehören zu der
in 7 gezeigten Entladestruktur 52 und verbinden
die Feldplatten 12a, 12b und 12c gruppenweise
miteinander.
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In
dieser Querschnittsansicht sind die Feldplatten 12a, 12b und 12c mit
gestrichelten Linien gezeichnet, da die Schnittebene nicht durch
diese Feldplatten verläuft.
Die Isolationsschicht 35 besitzt Fenster 37 zu
der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5. Die erste
Elektrode 7 ist als Sourceelektrode S eines MOSFETs und
die zweite Elektrode 9 ist als Drainelektrode D in den
Fenstern 37 angeordnet, um die oberflächennahen Zonen 8 bzw. 10 zu
kontaktieren. Außerdem
sind die Leiterbahnen 14a, 14b und 14c in den
Fenstern 37 der Isolationsschicht 35 angeordnet und
kontaktieren die Feldplatten 12a, 12b und 12c. Außerdem kontaktieren
die Leiterbahnen 14a, 14b und 14c jeweils
einen streifenförmigen
n+-leitenden zweiten Bereich 16a, 16b und 16c,
welcher Bestandteil der Entladestruktur 52 für die Feldplatten 12 ist.
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Im
Prinzip ist es möglich,
eine langgestreckte Feldplatte 12 zwischen den beiden Elektroden 7 und 9 in
der Driftstrecke 11 lateral anzuordnen, wie es 6 zeigt,
die vertikal in die Driftstrecke 11 hineinragt, jedoch
ist es von Vorteil, mehrere Feldplatten 12 lateral nintereinander
in Gruppen auf unterschiedlichen Driftstreckenlängen d11,
d12, d13 der Driftstrecke 11 anzuordnen
und für
jede Gruppe eine Leiterbahn 14a, 14b, 14c der
Entladestruktur 52 vorzusehen, welche die Feldplatten 12 einer
Gruppe bei gleicher Driftstreckenlänge d11,
d12 oder d13 elektrisch
verbindet.
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Dieses
hat den Vorteil, dass eine geringere Potentialdifferenz innerhalb
der Driftstrecke 11 von einem Ende 17 der Feldplatte 12 zum
anderen Ende 18 der Feldplatte 12 auftritt, wenn
mehrere Gruppen von Feldplatten 12 hintereinander in der Driftstrecke 11 angeordnet
werden, als wenn lediglich jeweils eine langgestreckte Feldplatte 12 in
der Driftstrecke 11 angeordnet ist, zumal dann die isolierende
Schicht 24 eine deutlich höhere Potentialdifferenz zwischen dem
nicht an eine Leiterbahn angeschlossenen Feldplattenende 18 und
der Driftstrecke 11 abschirmen muss. Die Dicke der isolierenden
Schicht 24, welche die Feldplatten 11 umgibt,
muss bei einer einzigen langgestreckten Feldplatte 12 bei
gleicher Drain-Source-Spannung
deutlich dicker gewählt
werden, was auf Kosten der Driftstreckenbreite geht. Somit ist es
von Vorteil, mehrere Feldplatten 12 lateral hintereinander
in Gruppen auf unterschiedlichen Driftstreckenlängen d der Driftstrecke 11 anzuordnen.
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9 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 50 einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Bei dieser Draufsicht ist ein Eckbereich einer Halbleiterchipfläche bzw.
eines Zinken einer Kammstruktur zu sehen. Eine innere Ringelektrode 31 bedeckt
als erste Elektrode 7 das Zentrum des Halbleiterchips.
Eine äußere Ringelektrode 28 ist
als zweite Elektrode 9 in einem abgerundeten Eckbereich 32 und
in Randbereichen 29 und 30 des Halbleiterchips
angeordnet. Zwischen der äußeren Ringelektrode 28 und
der inneren Ringelektrode 31 ist eine Driftstrecke 11 mit
zwei Gruppen 25 und 26 von Feldplatten 12a und 12b angeordnet.
Genauso ist es möglich,
die erste Elektrode im Randbereich und die zweite Elektrode im Innenbereich
vorzusehen.
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Diese
Feldplatten 12a und 12b sind wiederum bei gleichen
Driftstreckenlängen
d11 und d12 über Leiterbahnen
in Form von Ringleitungen 15a und 15b der Entladestrukturen 52a und 52b elektrisch
miteinander auf gleichen Driftstreckenlängen d11 und
d12 verbunden. Anstatt der Ringleitungen
können
auch kur ze Verbindungsleitungen zwischen Feldplatten und den benachbarten
Dotierstoffgebieten 16 vorgesehen sein. Ringleitungen haben
aber den Vorteil, dass sie identische Potenziale auf allen Feldplatten einer
Gruppe sicherstellen. Analog können
Driftstrecken zwischen kammförmigen
Elektroden beispielsweise durch meanderförmige Leiterbahnen als Entladestruktur
für Feldplatten
ausgestattet sein. Auch beliebig andere Driftstreckengeometrien
können
mit Feldplatten 12 und mit entsprechend angepassten Entladestrukturen 52 und
Leiterbahnen 14 versehen werden. Die in 9 gezeigte
Ausführungsform
der Erfindung variiert in der Gestaltung der ersten und der zweite
Elektrode 7 und 9 und nutzt selbst Ecken wie sie
bei Halbleiterchips auftreten aus, um einerseits den Durchlasswiderstand
des Halbleiterbauelements 50 mit Hilfe der Feldplatten 12 zu
vermindern und andererseits ein schnelles Schalten vom Sperren zum
Durchlassen mit Hilfe der Entladestruktur 52 über Ringleitungen 15a und 15b zu
gewährleisten.
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10 zeigt
eine schematische, perspektivische Ansicht eines Querschnittsbereichs
eines Halbleiterbauelements 60 gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, wobei mit den hier gezeigten oberflächennahen
Linien Dotierstoffkonzentrationen und pn-Übergänge 20 und 71 gekennzeichnet werden.
Dabei bildet der pn-Übergang 20 zwischen dem
n-leitenden Driftstreckenmaterial und dem p-leitenden Material des
ersten Bereichs 16 eine größere Raumladungszone als der
n+p-Übergang 71 zwischen
dem n+-leitenden zweiten Bereich 16 und
dem gleitenden ersten Bereich 19 aus. Ferner zeigt 10,
dass der n+-leitende zweite Bereich 16 mit dem
n-leitenden Driftstreckenmaterial einen ohmschen Kontaktbereich
aufweist.
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11 zeigt
den Querschnittsbereich des Halbleiterbauelements 60 im
Sperrfall gemäß 10 mit
der Potentialvertei lung 13 innerhalb des Halbleiterkörpers 5,
die durch entsprechende Äquipotentiallinien 39 verdeutlicht
wird. Dabei sorgt der pn-Übergang 20 bzw.
der komplementär
leitende erste Bereich 19 dafür, dass die Raumladungszone
bzw. die daraus resultierenden Äquipotentiallinien
sich zur zweiten oberflächennahen
Zone 10 hin spreizen, so dass die Raumladungszone weiter
in Richtung auf die zweite oberflächennahe Zone 10 hin
aufgespannt werden kann.
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12 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 70 einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden
Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht
extra erörtert.
In dieser Ausführungsform sind
in der Driftstrecke 11 eine Mehrzahl von Feldplatten 12a, 12b und 12c lateral
hintereinander oder versetzt hintereinander und in Feldplattengruppen 25, 26 und 27 nebeneinander
angeordnet und ragen vertikal in die Driftstrecke 11 hinein,
wie es 13 zeigt. Die Feldplatten stehen
einzeln mit ihnen einzeln zugeordneten Kopplungsstrukturen 4a, 4b und 4c über Feldplattenkontakte 34 elektrisch
in Verbindung.
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Die
Kopplungsstrukturen 4a, 4b und 4c weisen
jeweils einen komplementär
zur Driftstrecke dotierten ersten Bereich 19a, 19b und 19c und
einen in dem ersten Bereich 19a, 19b und 19c angeordneten hochdotierten
zweiten Bereich 16a, 16b und 16c auf, der
derart dotiert und geometrisch dimensioniert ist, dass er einen
Durchgreifeffekt zu der Driftstrecke 11 für jede der
Feldplatten 12a, 12b und 12c ermöglicht. Dabei
ist der jeweilige Feldplattenkontakt 34a, 34b und 34c derart
angeordnet , dass er sowohl den ersten Bereich 19a, 19b und 19c als
auch den zweiten Bereich 16a, 16b und 16c kontaktiert.
Der Vorteil einer derartigen Kopplungsstruktur über einen Durch greifeffekt
wurde bereits mit den 1 und 2 diskutiert,
so dass sich eine erneute Erörterung
erübrigt.
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Die
gesamte Driftstrecke 11 ist somit in einzelne Abschnitte
aufgeteilt, was den Vorteil hat, dass die Potentialdifferenz innerhalb
der Driftstrecke 11 von einem Ende 17 zum anderen
Ende 18 jeder Feldplatte 12a, 12b und 12c geringer
ist, als wenn die gesamte Driftstrecke 11 nur mit einer
einzigen langgestreckten Feldplatte 12 wie in 1 ausgestattet
ist. Dieses bedeutet auch, dass die Dicke der isolierenden Schicht 24,
die jede Feldplatte 12a, 12b und 12c umgibt,
minimiert werden kann, wobei die Feldplatten 12a, 12b und 12c jeweils
ein konstantes Potential auf ihrer Länge aufweisen bzw. halten,
das durch die Driftstreckenlängen
d11, d12 und d13 gegeben ist. Die Kopplungsstruktur 4 weist
wiederum hoch dotierte n+-leitende Bereiche 16a, 16b bzw. 16c auf,
die in p-leitenden Bereichen 19a, 19b und 19c angeordnet sind.
Durch die Bildung der Feldplattengruppen 25, 26 und 27 kann
somit eine dünnere
isolierende Schicht 24 um jede der Feldplatten 12a, 12b und 12c zum
Schutz gegenüber
dem Potential der Driftstrecke 11 vorgesehen werden, wodurch
weniger Material der Driftstrecke 11 für die Feldplattenstrukturen
benötigt
wird.
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13 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 12,
wobei nun die Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 eine
auf die Oberseite 6 aufgebrachte Struktur aus einer Isolationsschicht 35 aufweist.
Auf der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5 ist nun eine
Steuerstruktur mit einer Steuerelektrode 36 als isolierte
Gateelektrode G zu sehen. Ferner ist als erste Elektrode 7 eine
Sourceelektrode S und als zweite Elektrode 9 eine Drainelektrode
D gezeigt. Die Isolationsschicht 35 besitzt Fenster 37 zu
der Oberseite 6 des Halbleiterkörpers 5.
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Die
erste Elektrode 7 ist als Sourceelektrode S eines MOSFETs
und die zweite Elektrode 9 ist als Drainelektrode D in
den Fenstern 37 angeordnet, um die oberflächennahen
Zonen 8 bzw. 10 zu kontaktieren. Außerdem sind
die Feldplattenkontakte 34a, 34b und 34c in
Fenstern 37 der Isolationsschicht 35 angeordnet
und kontaktieren die Feldplatten 12a, 12b und 12c und
die ersten Bereiche 19a, 19b und 19c sowie
auch die zweiten Bereiche 16a, 16b und 16c der
Kopplungsstrukturen 4a, 4b und 4c. Die
Feldplattenkontakte 34a, 34b und 34c können als
Elektroden oder ohmsche Verbindungselemente auch in der Isolationsschicht 35 vergraben
sein.
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14 zeigt einen schematischen Querschnitt
durch einen Halbleiterbauelementbereich 57 mit über Maskierungstechnik
eingebrachter Kopplungsstruktur 4 auf einer lateral angeordneten
Driftstrecke 11. Die nicht gezeigte erste Elektrode ist
in dieser Darstellung links und die nicht gezeigte zweite Elektrode
ist rechts von dem dargestellten Halbleiterbauelementbereich 57 angeordnet.
Der sogenannte „low
voltage point" 65 befindet
sich somit auf dem linken Ende eines in die horizontale Driftstrecke 11 einzubringenden
floatenden komplementären
ersten Bereichs 19. Zunächst
wird, wie in 14a) gezeigt, ein Fenster 67 in
eine Oxidschicht 68 auf der Oberseite 6 eines
Halbleiterkörpers 5 eingebracht
und in Pfeilrichtung Z ein Akzeptormaterial wie Bor in das n–-leitende
Material der Driftstrecke 11 implantiert und eindiffundiert.
Zur Maskierung kann ebenfalls eine Fotolackmaske oder eine andere
strukturierte Hilfsschicht verwendet werden, welche z. B. auf einer dünnen Oxidschicht
aufliegen kann. Nach Erreichen einer in 14b)
gezeigten vorgegebenen Tiefe des ersten floatenden Bereichs 19 wird
das Fenster 67, wie in 14c)
gezeigt, teilweise mit einem Maskierungsmaterial 69, z.
B. Fotolack, abgedeckt und in die verbleibende Fensteröffnung ein
zweiter Bereich 16 durch Implantieren und Aktivieren oder
leichtes Diffundieren von Donatormaterial wie Arsen oder Phosphor
hochdotiert. Anschließend
wird ein leitender Kontakt in dem Fenster 67 abgeschieden,
der mindestens einen der beiden Bereiche 16 oder 19 kontaktiert.
Wobei jedoch in dem Fall eines ohmschen Übergangs von dem n+-leitendem Bereich
zum n-leitenden Material der Driftzone 11, vorzugsweise lediglich
der n+-leitende Bereich kontaktiert wird.
Mit diesem leitenden Kontakt können
sowohl vertikale Feldplatten in Driftstrecken als auch horizontale
Feldplatten auf Hochvolt-Feldplattenrändern elektrisch verbunden
werden.
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Dieser
zweite Bereich 16 wird wie hier gezeigt gegenüber der
zweiten Elektrode durch den ersten Bereich 19 im Sperrfall
abgeschirmt, ermöglicht
jedoch einen Durchgreifeffekt beim Umschalten in den Durchlassfall.
Alternativ kann, wie es 14d) zeigt,
nach der Borimplantation ein Spacer 73 in dem Fenster 67 ausgebildet
werden, so dass die Ausdiffusion von Bor eventuell entfallen kann,
so dass lediglich ein Ausheilen und Aktivieren der Störstellen
nach einer Ionenimplantation erforderlich ist. Auch kann die Ausdiffusion
in einem Schritt erfolgen, wenn Dotierstoffe eingesetzt werden,
deren Diffusionskoeffizienten stark unterschiedlich sind wie beispielweise
bei Arsen und Bor. Ähnliche
Prozessfolgen können
für den
Fall, dass n+-leitende Bereiche direkt mit
der Driftzone in Kontakt stehen, durchgeführt werden.
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Die 15 bis 20 zeigen
in einer Übersicht
schematisch die möglichen
Variationen der Kopplung zwischen Feldplatten 12 und oberflächennahen
hochdotierten Bereichen 16 und 19, sowie der Kopplung
der oberflächennahen
Bereiche 16 und 19 untereinander. Komponenten
mit gleichen Funktionen wie in den vorgehenden Figuren werden mit
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
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Dabei
ist ein Halbleiterkörper
mit 5, eine Isolationsschicht im Feldplattentrench mit 24,
eine Driftstrecke mit 11, eine Feldplatte mit 12 und
ein Feldplattenkontakt mit 34 in den 15 bis 20 gekennzeichnet.
Ein erster komplementär
zur Driftstrecke 11 hochdotierter Bereich ist mit 19 und
ein zweiter hochdotierter Bereich gleichen Leitungstyps wie die
Driftstrecke ist mit 16 gekennzeichnet. Die Position des "low voltage point" ist mit 65 und
ein Ladungsträger-Generationsgebiet
ist mit 74 markiert.
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In
den ersten drei Variationen gemäß den 15, 16 und 17 wird
der sogenannte "punch
through effect" genutzt,
wobei jeweils der zweite Bereich 16 innerhalb des ersten
Bereichs 19 angeordnet ist und von diesem vollständig umgeben wird.
In allen drei ersten Varianten gemäß den 15 bis 17 ist
der zweite Bereich 16 asymmetrisch im ersten Bereich 19 angeordnet
und zum "low voltage
point" hin verschoben.
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Die
ersten drei Varianten unterscheiden sich dadurch, dass in 15 der
pn-Übergang
zwischen Bereich 16 und Bereich 19 durch einen
ohmschen Feldplattenkontakt 34 kurzgeschlossen ist. In 16 ist
die Feldplatte 12 lediglich mit dem zweiten Bereich 16 ohmsch über den
Feldplattenkontakt 34 elektrisch verbunden, sodass eine
wirksame Zenerklemmung mit geringer Zenerspannung zwischen erstem
Bereich 19 und zweitem Bereich 16 auftritt. In
der dritten Variante gemäß 17 wird
der zweite Bereich durch ein metallisches oder ein anderes ladungsträgergenerierendes
Gebiet 74 realisiert. Die Kopplung zwischen dem ersten
Bereich 19 und dem zweiten Bereich wird nun durch die Eigenschaften
des generierenden Ge biets 74 selbst bewirkt. Dabei kann
auch der Feldplattenkontakt 34 das metallische oder ladungsträgergenerierende
Gebiet 74 bilden.
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In
allen drei weiteren Varianten gemäß 18 bis 20 liegt
der zweite Bereich 16 auf dem "low voltage point" der Driftstrecke 11 und ist
in Kontakt mit der Driftstrecke 11.
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Diese
drei weiteren Varianten unterscheiden sich dadurch, dass gemäß 18 ein
ohmscher Kontakt durch den Feldplattenkontakt 34 die beiden Bereiche 16 und 19 kurzschließt. Gemäß 19 steht
der Feldplattenkontakt 34 lediglich mit dem zweiten Bereich
in ohmschem Kontakt. In der sechsten Variante gemäß 20 ist
zwischen dem ersten Bereich 19 und dem zweiten Bereich 16 ein
Gebiet 74 mit lokalen Generationszentren angeordnet, sodass
die Kopplung durch das generierende Gebiet erfolgt, wobei sich die
Spannungen zwischen erstem und zweitem Bereich nur minimal unterscheiden
können.
-
- 1
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 2
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 3
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 4
- Kopplungsstruktur
- 5
- Halbleiterkörper
- 6
- Oberseite
des Halbleiterkörpers
- 7
- erste
Elektrode
- 8
- erste
Zone
- 9
- zweite
Elektrode
- 10
- zweite
Zone
- 11
- Driftstrecke
- 12
- Feldplatte
- 13
- Potentialverteilung
- 14
- Leiterbahn
- 15
- Ringleitung
- 16
- zweiter
Bereich
- 17
- Ende
der Feldplatte zur 1. Elektrode hin (sourceseitig)
- 18
- Ende
der Feldplatte zur 2. Elektrode hin (drainseitig)
- 19
- erster
Bereich
- 20
- pn-Übergang
zwischen Driftstrecke und erstem Bereich
- 21
- Grabenstruktur
- 22
- Grabenwand
- 23
- Grabenwand
- 24
- isolierende
Schicht
- 25
- Gruppe
von Feldplatten
- 26
- Gruppe
von Feldplatten
- 27
- Gruppe
von Feldplatten
- 28
- äußerer Ring
der Ringstruktur
- 29
- Randbereich
bzw. Randstruktur
- 30
- Randbereich
bzw. Randstruktur
- 31
- innere
Ringelektrode
- 32
- runder
Eckbereich
- 33
- Bodyzone
- 34
- Feldplattenkontakt
- 35
- Isolationsschicht
- 36
- Steuerelektrode
- 37
- Fenster
- 38
- p–-leitendes
Gebiet
- 39
- Äquipotentiallinie
- 40
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 43
- Gateoxid
- 44
- Grabenstruktur
(für „bubbles")
- 50
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 52
- Feldplattenentladestruktur
- 57
- Halbleiterbauelementbereich
- 60
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 65
- „low voltage
point"
- 67
- Fenster
- 68
- Oxidschicht
- 69
- Maskierungsmaterial
- 70
- Halbleiterbauelement
(Ausführungsform)
- 71
- pn-
bzw. n+p-Übergang zwischen 1. und 2. Bereich
- 72
- Unterseite
de Halbleiterkörpers
- 73
- Spacer
- 74
- Ladungsträger generierendes
Gebiet
- d
- Driftstreckenlänge
- d11
- Driftstreckenlänge
- d12
- Driftstreckenlänge
- d13
- Driftstreckenlänge
- D
- Drainelektrode
- E
- Emitterelektrode
- G
- Gateelektrode
- KE
- Kollektorelektrode
- S
- Sourceelektrode
- Z
- Pfeilrichtung