DE102009026835A1

DE102009026835A1 - Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone

Info

Publication number: DE102009026835A1
Application number: DE102009026835A
Authority: DE
Inventors: Anton Mauder; Stefan Sedlmaier; Armin Willmeroth
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: DE102009026835B4; US20090321804A1; US8193584B2

Abstract

Beschrieben wird ein Transistorbauelement, das aufweist: eine Driftzone, eine Bodyzone, eine Sourcezone und eine Drainzone, wobei die Driftzone zwischen der Bodyzone und der Drainzone und die Bodyzone zwischen der Sourcezone und der Driftzone angeordnet ist.

Description

In Halbleiterbauelementen, die eine Driftzone und eine Driftsteuerzone aufweisen, dient die Driftsteuerzone bei leitend angesteuertem Bauelement zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Driftzone entlang eines zwischen der Driftzone und der Driftsteuerzone angeordneten Driftsteuerzonendielektrikums. Dieser leitende Kanal bewirkt eine Verringerung des Einschaltwiderstands des Bauelements gegenüber solchen Bauelementen, die keine Driftsteuerzone aufweisen.
Ein solches Halbleiterbauelement kann als MOS-Transistor ausgebildet sein. Das Bauelement weist in diesem Fall zusätzlich zu der Driftzone und der Driftsteuerzone eine Drainzone, eine Bodyzone, eine Sourcezone und eine Gateelektrode auf. Die Driftzone ist dabei zwischen der Drainzone und der Bodyzone angeordnet. Die Gateelektrode dient zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Bodyzone zwischen der Sourcezone und der Driftzone.
Das Schaltverhalten eines solchen MOS-Transistors wird maßgeblich durch dessen Gate-Source-Kapazität und dessen Gate-Drain-Kapazität bestimmt. Hiermit werden parasitäre Kapazitäten zwischen der Gateelektrode und der Sourcezone, sowie zwischen der Gateelektrode und der Drainzone bezeichnet. Ein MOS-Transistor mit einer Driftsteuerzone besitzt in leitendem Zustand einen deutlich geringeren spezifischen Einschaltwiderstand (Produkt aus Einschaltwiderstand Ron und benötigter Chipfläche A) als ein herkömmlicher MOS-Transistor. Bei gleichem Einschaltwiderstand wie ein herkömmlicher MOS-Transistor kann ein solcher MOS-Transistor mit Driftsteuerzone damit mit geringerem Platzaufwand, d. h. Bedarf an Chipfläche realisieren. Bei einer Verkleinerung der Chipfläche verkleinern sich in entsprechender Weise auch die zuvor genannten, das Schalt verhalten beeinflussenden Kapazitäten. Eine Verringerung dieser Kapazitäten führt zu einer Versteilerung von Schaltflanken beim Ein- und Ausschalten des MOS-Transistors, d. h. zu besonders steilen Flanken eines den Transistor durchfließenden Stromes bzw. einer über dem Transistor anliegenden Spannung. Dies kann insbesondere dann zu Problemen führen, wenn der MOS-Transistor zum Schalten induktiver Lasten, ohne dass ein Freilaufelement oder ein Freilaufstromzweig vorhanden ist, eingesetzt wird oder wenn eine durch den MOS-Transistor angesteuerte Last große parasitäre Induktivitäten aufweist. Rasche Änderungen eines den MOS-Transistor durchfließenden Stromes können zu unerwünschten Spannungsspitzen in der Schaltung insgesamt und speziell an diesem MOS-Transistor führen, die durch diese Induktivitäten hervorgerufen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Transistorbauelement mit einer Driftzone und einer Driftsteuerzone zur Verfügung zu stellen, der ein verbessertes Schaltverhalten besitzt.
Diese Aufgabe wird durch ein Transistorbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Transistorbauelement gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst: eine Driftzone, eine Bodyzone und eine Drainzone, wobei die Driftzone zwischen der Bodyzone und der Drainzone angeordnet ist; eine Gateelektrode, die durch ein Gatedielektrikum gegenüber der Bodyzone dielektrisch isoliert ist; eine Gate-Source-Kapazität, die zwischen der Gateelektrode und der Sourcezone ausgebildet ist; eine Gate-Drain-Kapazität, die zwischen der Gateelektrode und der Drainzone ausgebildet ist; eine Driftsteuerzone, die benachbart zu der Driftzone angeordnet ist und die durch ein Driftsteuerzonendielektrikum dielektrisch gegenüber der Driftzone isoliert ist; wenigstens eines der folgenden Bauelemente: wenigstens ein erstes kapazitives Bauelement, das zusätzlich zu der Ga te-Source-Kapazität zwischen die Gateelektrode und die Sourcezone geschaltet ist; wenigstens ein zweites kapazitives Bauelement, das zusätzlich zu der Gate-Drain-Kapazität zwischen die Gateelektrode und die Drainzone geschaltet ist.
Verschiedene Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Die Figuren sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, der Schwerpunkt liegt vielmehr auf der Erläuterung des Grundprinzips. In den Figuren sind dabei lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein Transistorbauelement, das eine Driftzone und eine Driftsteuerzone und das ein zwischen eine Gateelektrode und eine Sourcezone geschaltetes erstes kapazitives Bauelement aufweist.
2 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung eine Realisierung des Transistorbauelements mit Streifenzellen.
3 veranschaulicht eine Möglichkeit zur Realisierung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Gateelektrode und dem ersten kapazitiven Bauelement.
4 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Transistorbauelements gemäß 1.
5 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein Transistorbauelement, das eine Driftzone und eine Driftsteuerzone und das ein zwischen eine Gateelektrode und eine Drainzone geschaltetes zweites kapazitives Bauelement aufweist.
6 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Transistorbauelements gemäß 5.
7 veranschaulicht anhand einer Querschnittsdarstellung ein Transistorbauelement, das ein zwischen die Gateelektrode und die Sourcezone geschaltetes erstes kapazitives Bauelement und das ein zwischen die Gateelektrode und die Drainzone geschaltetes zweites kapazitives Bauelement aufweist.
8 veranschaulicht eine Möglichkeit zur Realisierung einer Kopplung der Driftsteuerzone an die Drainzone.
9 veranschaulicht ein erstes Beispiel einer an die Driftsteuerzone angeschlossenen Ladeschaltung.
10 veranschaulicht ein zweites Beispiel einer an die Driftsteuerzone angeschlossenen Ladeschaltung.
11 zeigt schematisch ein Transistorbauelement, das als planares Transistorbauelement realisiert ist.
12 zeigt schematisch ein Transistorbauelement, das als Trench-Transistorbauelement realisiert ist.
1 veranschaulicht ein Beispiel eines Transistorbauelements anhand einer Querschnittsdarstellung eines Halbleiterkörpers 100, in dem Bauelementbereiche des Transistorbauelements angeordnet sind. Dieser Halbleiterkörper 100 besteht beispielsweise aus Silizium, kann jedoch aus einem anderen Halbleitermaterial, wie z. B. Galliumarsenid (GaAs) oder Siliziumkarbid (SiC) bestehen.
Das dargestellte Transistorbauelement weist eine Driftzone 11, eine Drainzone 12, eine Bodyzone 13 und eine Sourcezone 14 auf. Die Driftzone 11 ist dabei in dem Halbleiterkörper 100 zwischen der Drainzone 12 und der Bodyzone 13 angeordnet. Die Bodyzone 13 ist zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 11 angeordnet, so dass die Bodyzone 13 die Sourcezone 14 und die Driftzone 11 voneinander trennt. In noch zu erläuternder Weise dient die Driftzone 11 dazu, bei sperrend angesteuertem Bauelement eine über dem Bauelement anliegende Sperrspannung aufzunehmen. Abmessungen der Driftzone 11 in einer Stromflussrichtung des Bauelements und deren Dotierungskonzentration bestimmen in grundsätzlich bekannter Weise die Spannungsfestigkeit des Bauelements.
Das dargestellte Bauelement ist als MOS-Transistorbauelement ausgebildet und weist eine Gateelektrode 41 auf, die durch ein Gatedielektrikum 42 gegenüber der Bodyzone 13 dielektrisch isoliert ist. Diese Gateelektrode 41 erstreckt sich benachbart zu der Bodyzone 13 von der Sourcezone 14 bis an die oder bis in die Driftzone 11 und dient in noch zu erläuternder Weise zur Steuerung eines leitenden Kanals, der sich in der Bodyzone 13 von der Sourcezone 14 bis zu der Driftzone 11 erstreckt. Die Gateelektrode 41, die Sourcezone 14 und ein Abschnitt des Gatedielektrikums 42, der zwischen der Gateelektrode 41 und der Sourcezone 14 angeordnet ist, bilden hierbei eine – bei MOS-Transistoren übliche – Gate-Source-Kapazität 91. Ein Kapazitätswert dieser Gate-Source-Kapazität 91, ist dabei maßgeblich bestimmt durch die Fläche über welche die Gateelektrode 41 und die Sourcezone 14 über das Gatedielektrikum 42 hinweg sich gegenseitig überlappen. Bei einer gegebenen Dicke des Dielektrikums 42 ist die Gate-Source-Kapazität 91 dabei um so größer, je größer die Fläche des Überlapps ist.
Das Bauelement weist außerdem eine – bei MOS-Transistoren übliche – Gate-Drain-Kapazität 92 auf, die durch die Gateelektrode 41 und, in dem dargestellten Beispiel, durch die Driftzone 11 sowie einen zwischen der Gateelektrode 41 und der Driftzone 11 angeordneten Abschnitt des Gatedielektrikums 42 gebildet ist. Ein Kapazitätswert dieser Gate-Drain-Kapazität 92, ist dabei maßgeblich bestimmt durch die Fläche über welche die Gateelektrode 41 und die Driftzone 11 über das Gatedielektrikum 42 hinweg sich gegenseitig überlappen. Bei einer gegebenen Dicke des Gatedielektrikums 42 ist die Gate-Drain-Kapazität 91 dabei um so größer, je größer die Fläche des Überlapps ist. Die Dicke des Gatedielektrikums 42 kann dabei an jeder Stelle wenigstens annähernd gleich sein, die Dicke des Gatedielektrikums kann jedoch auch variieren.
Benachbart zu der Driftzone 11 ist eine Driftsteuerzone 21 vorhanden, die durch eine Dielektrikumsschicht 31, die nachfolgend als Driftsteuerzonendielektrikum bezeichnet wird, dielektrisch gegenüber der Driftzone 11 isoliert ist und die beispielsweise aus einem monokristallinen Halbleitermaterial besteht. Diese Driftsteuerzone ist in einer Richtung, die sich von einer Stromflussrichtung des Bauelements unterscheidet, benachbart zu der Driftzone 11 angeordnet. Die Stromflussrichtung ist dabei die Richtung, in der die Driftzone 11 bei leitend angesteuertem Bauelement von einem Strom durchflossen wird.
Das in 1 dargestellte Bauelement ist ein vertikales Bauelement. Eine Stromflussrichtung entspricht bei diesem Bauelement einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100. Die vertikale Richtung ist dabei eine Richtung, die senkrecht verläuft zu einer ersten Seite 101 des Halbleiterkörpers 100, die nachfolgend auch als Vorderseite bezeichnet wird. Die Driftsteuerzone 21 ist in dem dargestellten Beispiel in einer Richtung senkrecht zu der Stromflussrichtung, d. h. in dem dargestellten Beispiel in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100, benachbart zu der Driftzone 11 angeordnet. 1 zeigt einen Querschnitt in einer vertikalen Schnittebene, d. h. in einer Schnittebene, die senkrecht zu der Vorderseite 101 verläuft und in der die Strom flussrichtung verläuft. Die Sourcezone 14, die Bodyzone 13, die Driftzone 11 und die Drainzone 12 sind bei der dargestellten vertikalen Transistorstruktur in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 benachbart zueinander angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass das Bauelement jedoch selbstverständlich nicht darauf beschränkt ist, als vertikales Bauelement realisiert zu sein.
Die Sourcezone 14 ist durch eine Sourceelektrode 16 kontaktiert. Diese Sourceelektrode 16 kontaktiert in dem dargestellten Beispiel außerdem die Bodyzone 13 und schließt dadurch die Sourcezone 14 und die Bodyzone 13 kurz. Zum niederohrigen Anschließen der Sourceelektrode 16 an die Bodyzone 13 kann eine höher als die Bodyzone 13 dotierte Anschlusszone 15 vom gleichen Leitungstyp wie die Bodyzone 13 vorgesehen sein, die zwischen der Sourceelektrode 16 und der Bodyzone 13 angeordnet ist.
Die in 1 zur Erläuterung dargestellte Transistorstruktur ist eine Struktur eines selbstsperrenden MOSFET. Die Sourcezone 14 und die Bodyzone 13 sind hierbei komplementär zueinander dotiert, die Drainzone 12 ist vom gleichen Leitungstyp wie die Sourcezone 14, und damit komplementär zu der Bodyzone 13 dotiert. Die Driftzone 11 ist vom gleichen Leitungstyp wie die Sourcezone 14 und die Drainzone 12, kann jedoch auch komplementär zu der Sourcezone 14 und der Drainzone 12 dotiert sein oder kann intrinsisch sein. Die Driftsteuerzone 21 kann vom selben Leitungstyp wie die Driftzone 11 sein, kann jedoch auch komplementär zu der Driftzone 11 dotiert oder intrinsisch sein. Die Gateelektrode 41 dient bei diesem Bauelement zur Steuerung eines Inversionskanals in der Bodyzone 13 zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 11. Das in der vorliegenden Beschreibung erörterte Konzept ist selbstverständlich jedoch auch auf selbstleitende Transistoren anwendbar. Die Bodyzone 13 bzw. nur der an das Gatedielektrikum 42 angrenzende Bereich der Bodyzone 13 sind in die sem (nicht näher dargestellten) Fall vom gleichen Leitungstyp wie die Sourcezone 14.
Die in 1 zur Erläuterung dargestellte Transistorstruktur ist eine Struktur eines n-leitenden Bauelements. Die Sourcezone 14 ist dabei n-dotiert, während die Bodyzone 13 p-dotiert ist. Der durch die Gateelektrode 41 bei diesem Bauelement in der Bodyzone 13 gesteuerte Kanal ist ein n-Kanal bzw. Elektronenkanal. Selbstverständlich kann das Bauelement auch als p-leitendes Bauelement realisiert sein. Die in 1 zu Zwecken der Erläuterung angegebenen Dotierungstypen sind dann zu vertauschen.
Die in 1 dargestellte Transistorstruktur ist eine Trench-Transistorstruktur. Die Gateelektrode 41 erstreckt sich hierbei ausgehend von der Vorderseite 101 in der vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein und reicht durch die Sourcezone 14 und die Bodyzone 13 bis in die oder zumindest bis an die Driftzone 11. Die Gateelektrode 41 ist hierbei durch das Gatedielektrikum 42 gegenüber den genannten Bauelementzonen isoliert. Es sei darauf hingewiesen, dass die dargestellte MOSFET-Struktur lediglich als Beispiel zu verstehen ist und zur Erläuterung gewählt wurde. Selbstverständlich können beliebige weitere MOSFET-Strukturen verwendet werden, beispielsweise solche, die noch anhand der 11 und 12 erläutert werden.
Die Bezugszeichen D, S und G bezeichnen in 1 Drain-Source und Gateanschlüsse des Bauelements, die lediglich schematisch dargestellt sind.
Die Driftsteuerzone 21 kann über ein Gleichrichterelement 50 an die Drainzone 12 angeschlossen sein. Dieses Gleichrichterelement 50 ist beispielsweise eine Bipolardiode und ist in 1 lediglich schematisch durch ein elektrisches Schaltsymbol dargestellt. Dieses Gleichrichterelement kann auf beliebige Weise realisiert sein, es kann beispielsweise in dem Halbleiterkörper 100 integriert sein, kann jedoch auch als externes Bauelement realisiert sein. Anstelle einer Bipolardiode eignet sich beispielsweise auch eine Schottkydiode als Gleichrichterelement.
Das Gleichrichterelement 50 kann über eine höher dotierte Anschlusszone 23 (gestrichelt dargestellt) an die Driftsteuerzone 21 elektrisch angeschlossen sein. Die Dotierungsspezies dieser Anschlusszone 23 richtet sich dabei nach der Art des Transistors und ist für ein n-leitendes Bauelement eine Donatordotierung (n-Dotierung). Die Anschlusszone 23 und/oder eine zwischen der Driftsteuerzone 21 und dem Gleichrichterelement 50 angeordnete Kontaktelektrode 51 (ebenfalls gestrichelt dargestellt) können dabei ganzflächig, d. h. über die gesamte Fläche der Driftsteuerzone im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers 100, oder auch nur lokal ausgeführt werden. Die Bereiche der Anschlusszone 23, welche nicht mit einer Kontaktelektrode 51 in Verbindung stehen, können mit einer Isolatorschicht (nicht dargestellt) abgedeckt sein.
Bei dem in 1 dargestellten Bauelement kontaktiert das Gleichrichterelement die Anschlusszone 23 im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers 100. In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, die Anschlusszone 22 bis an die Vorderseite zu führen, und das Gleichrichterelement 50 im Bereich der Vorderseite 101 – optional über eine Kontaktelektrode – an die Anschlusszone anzuschließen.
Das Halbleiterbauelement muss an seinen Grenzen die Sperrspannung in lateraler Richtung ebenfalls abbauen. Dafür steht eine große Auswahl an bekannten Randabschlüssen zur Verfügung wie Feldplattenränder, Feldringränder, Randabschlüsse auf Basis einer lateralen Variation der Dotierung an der Oberfläche sowie eine Kombination der genannten Prinzipien. Ein solcher Randabschluss ist in den Figuren nicht dargestellt. Es reicht aus, die Driftsteuerzone 21 in Richtung der Zeichenebene bis unter einen solchen Randabschluss hindurch zu erweitern. Au ßerhalb des Randabschlusses liegt Drainpotential an, d. h. es liegt in diesen Bereichen im Halbleiterkörper und auch nahe der Vorderseite 101 im Sperrfall keine Raumladungszone vor, so dass das Gleichrichterelement 50 einer oberflächennahen Kontaktelektrode der Driftsteuerzone 21 verbunden werden kann.
Das Gleichrichterelement 50 ist so verschaltet, dass es bei leitend angesteuertem Bauelement einen Potentialausgleich zwischen einem elektrischen Potential der Driftsteuerzone 21 und einem elektrischen Potential der Drainzone 12 verhindert. Dieses Gleichrichterelement 50 ermöglicht, dass die Driftsteuerzone 21 bei leitend angesteuertem Bauelement ein elektrisches Potential annimmt, das sich derart von dem elektrischen Potential der Drainzone 12 bzw. der Driftzone 11 unterscheidet, dass sich in der Driftzone 11 – gesteuert durch die Driftsteuerzone 21 – entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 ein leitender Kanal ausbilden kann. Bei dem in 1 dargestellten n-leitenden Bauelement liegt das elektrische Potential der Driftsteuerzone 21 bei leitend angesteuertem Bauelement hierbei oberhalb des Drainpotentials und der leitende Kanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 ist ein Akkumulationskanal. Bei einem p-Kanal-MOSFET (nicht dargestellt) bei dem die Dotierungstypen der einzelnen Bauelementzonen komplementär zu den in 1 angegebenen Dotierungstypen sind, liegt das elektrische Potential der Driftsteuerzone bei leitend angesteuertem Bauelement unterhalb des Drainpotentials. Das Gleichrichterelement ist im Vergleich zu dem Gleichrichterelement gemäß 1 dann umzupolen.
Die Spannungsfestigkeit des Gleichrichterelements 50 ist beispielsweise so gewählt, dass dessen Sperrspannung höher ist als die bei normalem Betrieb auftretenden Potentialdifferenzen zwischen der Driftsteuerzone 21 und der Driftzone 11 bzw. der Drainzone 12, wenn das Bauelement leitend angesteuert ist. Diese Spannungsfestigkeit beträgt beispielsweise zwischen 10 V und 100 V. Zusammenfassend verhindert das Gleich richterelement, dass die Driftsteuerzone 21 bei leitend angesteuertem Bauelement in Richtung der Drainzone 12 entladen wird, sofern die Potentialdifferenz zwischen der Driftsteuerzone 21 und der Drainzone 12 die Durchbruchspannung des Gleichrichterelements 50 nicht übersteigt.
Bei sperrend angesteuertem Bauelement koppelt das Gleichrichterelement 50 die Driftsteuerzone 21 potentialmäßig an die Drainzone 12. Die Driftsteuerzone 21 ist so realisiert, dass sich in der Driftsteuerzone 21 – ebenso wie in der Driftzone 11 – bei sperrend angesteuertem Bauelement eine Raumladungszone ausbreiten kann. Die Driftsteuerzone 21 besteht hierzu beispielsweise aus einem monokristallinen Halbleitermaterial.
Die grundsätzliche Funktionsweise des in 1 dargestellten Halbleiterbauelements wird nachfolgend erläutert: Das dargestellte Bauelement leitet, wenn eine Spannung zwischen der Drainzone 12 und der Sourcezone 14 anliegt, und wenn ein Ansteuerpotential an der Gateelektrode 41 anliegt, das geeignet ist, einen Inversionskanal in der Bodyzone 13 auszubilden. Bei dem dargestellten n-MOSFET ist die zwischen Drain und Source D, S anzulegende Spannung eine positive Spannung, und das Ansteuerpotential der Gateelektrode 41 ist ein gegenüber Sourcepotential positives Potential. Bei leitend angesteuertem Bauelement wird im statischen Normalbetrieb außerdem die Driftsteuerzone 21 auf ein elektrisches Potential aufgeladen, das oberhalb des elektrischen Potentials der Drainzone 12 und damit oberhalb des elektrischen Potentials der Driftzone 11 liegt. Hierdurch bildet sich entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 in der Driftzone 11 ein leitender Kanal – in dem Beispiel ein Akkumulationskanal – aus, der eine wesentliche Reduzierung des Einschaltwiderstandes des dargestellten Bauelements gegenüber einem Bauelement, das keine solche Driftsteuerzone aufweist, bewirkt. Das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 21 liegt dabei beispielsweise zwischen etwa 10 V und 100 V über dem elektrischen Potential der Sourcezone. Liegt wie z. B. im Kurzschlussbe trieb ein höheres elektrisches Potential an der Drainzone 12 als an der Driftsteuerzone 21 an, so bildet sich in der Driftzone 11 kein oder nur ein kurzer Akkumulationskanal aus.
Ladungsträger, die zum Aufladen der Driftsteuerzone 21 auf ein elektrisches Potential erforderlich sind, das oberhalb des elektrischen Potentials der Driftzone 11 liegt, werden durch eine Ladeschaltung 60 bereitgestellt, die an die Driftsteuerzone 21 angeschlossen ist. Zum Anschließen der Ladeschaltung 60 an die Driftsteuerzone 21 können eine Kontaktelektrode (nicht dargestellt) und eine dotierte Anschlusszone 24, die durch die Kontaktelektrode kontaktiert ist, vorhanden sein. Die Anschlusszone 24 kann dabei so hoch dotiert sein, dass ein ohmscher Kontakt zur Anschlusselektrode erreicht wird. Der Leitungstyp der Anschlusszone 24 ist so gewählt, dass er entgegengesetzt zum Leitungstyp des Bauelements ist. Bei einem n-leitenden Bauelement ist die Anschlusszone 24 also p-dotiert und umgekehrt. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass der Leistungstyp des Bauelements durch den Dotierungstyp der Sourcezone 14 bestimmt ist. Ein Anschluss der Ladeschaltung an die Driftsteuerzone 21 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt. Dieser Anschluss kann sich an einer beliebigen Position des Halbleiterkörpers 100 im Bereich der Vorderseite 101 befinden.
Die Anschlusszone 24 schließt sich an die Driftsteuerzone 21 an einem Ende an, das in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 dem Ende der Driftsteuerzone gegenüberliegt, an dem das Gleichrichterelement 50 die Driftsteuerzone 21 kontaktiert. Die Anschlusszone 24 kann komplementär zu der Driftsteuerzone 21 dotiert sein (wie dargestellt), kann jedoch auch vom gleichen Leitungstyp wie die Driftsteuerzone 21 sein. Eine komplementär dotierte, in dem Beispiel also p-dotierte, Anschlusszone 24 sorgt bei dem dargestellten n-MOSFET für eine Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen der Driftsteuerzone 21 und der Anschlusselektrode 53 und stellt im eingeschalteten Zustand die Löcher zur Verfügung, die für die Ausbildung des Akkumulationskanals entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 in der Driftsteuerzone 21 benötigt werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Driftsteuerzone 21 entgegen der Darstellung in 1 auch p-dotiert – und damit komplementär zu der Driftzone 11 dotiert – oder intrinsisch sein kann.
Das in 1 dargestellte Bauelement sperrt dann, wenn keine oder wenn eine positive Spannung zwischen Drain D und Source S anliegt und wenn kein zur Ausbildung eines Inversionskanals in der Bodyzone 13 geeignetes Ansteuerpotential an der Gateelektrode 41 anliegt. In diesem Fall breitet sich eine Raumladungszone in der Driftzone 12 ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Driftzone 11 und der Bodyzone 13 aus. Entsprechend wie in der Driftzone 11 breitet sich bei sperrendem Bauelement eine Raumladungszone in der Driftsteuerzone 21 aus. Diese sich in der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21 ausbreitenden Raumladungszonen begrenzen die Spannungsdifferenz zwischen der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21 und schützen dadurch das Driftsteuerzonendielektrikum 31 vor einem Spannungsdurchbruch bei sperrendem Bauelement.
Die Dotierungskonzentration der Driftzone 11 und der Driftsteuerzone 21 liegen beispielsweise im gleichen Bereich. Diese Dotierungskonzentrationen sind in etwa indirekt proportional von der geforderten Sperrfähigkeit zwischen Drain 12 und Source 14 abhängig. Sie betragen bei einem Bauelement mit einer Sperrfähigkeit bzw. Spannungsfestigkeit von 600 V beispielsweise etwa 1,4·10¹⁴ cm^–3 oder weniger.
Das Bauelement kann zellenartig aufgebaut sein, kann also eine Anzahl gleichartiger Bauelementstrukturen, sogenannte Transistorzellen, aufweisen wie dies in 1 gestrichelt dargestellt ist. Die einzelnen Transistorzellen sind hierbei parallel geschaltet, indem die Gateelektroden 41 der einzelnen Transistorzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind, indem die Sourcezonen 14 der einzelnen Transistorzellen elektrisch leitend miteinander verbunden sind und indem die Drainzonen 12 der einzelnen Transistorzellen leitend miteinander verbunden sind. Bei einem Bauelement mit der in 1 dargestellten Bauelementstruktur teilen sich je zwei Transistorzellen eine Driftsteuerzone 21. Das Bauelement kann beispielsweise mehrere tausend solcher parallel geschalteter Transistorzellen aufweisen.
Bezugnehmend auf 2, die einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 in einer in 1 dargestellten Schnittebene A-A zeigt, können die einzelnen Transistorzellen streifenförmig ausgebildet sein; die dargestellten Bauelementzonen erstrecken sich dann langgestreckt in einer Richtung, die senkrecht zu der in 1 dargestellten Zeichenebene verläuft. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Transistorzellgeometrien anwendbar, wie beispielsweise rechteckförmige, insbesondere quadratische Transistorzellen, hexagonale Transistorzellen oder beliebige vieleckige bzw. runde Transistorzellen.
Andererseits sind auch beliebige Geometrien der Driftsteuerzonen 21 denkbar, denen die Geometrie der Driftzone 11 und damit die Geometrie der Transistorzellen folgt. So können die Driftsteuerzonen 21 bezugnehmend auf 2, die einen Schnitt durch den Halbleiterkörper 100 in einer Schnittebene A-A zeigt, langgestreckt in einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Richtung oder auch als beispielsweise rechteckförmige, insbesondere quadratische, hexagonale oder beliebig vieleckige bzw. runde Strukturen ausgeführt werden.
Die Leitfähigkeit des durch die Driftsteuerzone 21 gesteuerten, sich entlang der Dielektrikumsschicht 31 in der Driftzone 11 ausbildenden leitenden Kanals wird maßgeblich bestimmt durch die Dicke der Dielektrikumsschicht 31. Die Dicke der Dielektrikumsschicht 31 ist in dem dargestellten Beispiel deren Abmessung in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers. Bei dem in 1 dargestellten Bauelement ist der sich ent lang der Dielektrikumsschicht 31 ausbildende Kanal ein Akkumulationskanal, d. h. entlang der Dielektrikumsschicht 31 werden Elektronen gesteuert durch das elektrische Potential in der Driftsteuerzone 21 akkumuliert. Bei einem gegebenen Potential der Driftsteuerzone 21 ist der Akkumulationseffekt dabei umso ausgeprägter, je dünner, bzw. je geringer die Dicke, der Dielektrikumsschicht 31 oder je höher ihre Dielektrizitätskonstante ist. Als Material für die Dielektrikumsschicht 31 eignen sich beliebige dielektrische Materialien, wie z. B. Oxide oder Nitride, und auch so genannte hochdielektrische (high-k)-Materialien. Die Dicke des Driftsteuerzonendielektrikums 31 liegt beispielsweise im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert Nanometern (nm).
Das Schaltverhalten des dargestellten Transistorbauelements wird maßgeblich beeinflusst durch die zuvor erläuterte Gate-Source-Kapazität. In bereits erläuterter Weise muss die Gateelektrode 41 zur leitenden Ansteuerung des Bauelements auf ein elektrisches Potential aufgeladen werden, das sich wenigstens um den Wert einer sogenannten Einsatzspannung von dem Source-Potential, d. h. dem elektrischen Potential der Sourcezone 14, unterscheidet. Eine solche leitende Ansteuerung des Bauelements erfolgt beispielsweise durch eine an den Gateanschluss G angeschlossene – grundsätzlich bekannte und daher nicht näher dargestellte – Ansteuerschaltung, die zur leitenden Ansteuerung des Bauelements einen Gate-Ladestrom und zur sperrenden Ansteuerung einen Gate-Entladestrom bereitstellt. Mittels des Gate-Ladestroms wird die Gateelektrode 41 zur leitenden Ansteuerung des Bauelements auf das erläuterte Ansteuerpotential aufgeladen. Der Übergang des Bauelements vom sperrenden in den leitenden Zustand erfolgt dabei um so schneller, je kleiner bei einem gegebenen Gate-Ladestrom die umzuladenden Kapazitäten, also insbesondere die Gate-Source-Kapazität 91 und die Gate-Drain-Kapazität 92, sind. In entsprechender Weise erfolgt ein Übergang des Bauelements vom leitenden in den sperrenden Zustand um so schneller, je geringer – bei einem gegebenen Gate- Entladestrom – die Gate-Source-Kapazität 91 und die Gate-Drain-Kapazität 92 des Bauelements sind.
Sehr kleine Gate-Source- bzw. Gate-Drain-Kapazitäten, und damit schnelle Übergänge des Bauelements vom sperrenden in den leitenden Zustand, und umgekehrt, sind prinzipiell zwar häufig erwünscht, da sie niedrige Schaltverluste liefern. Sie sind jedoch beispielsweise dann problematisch, wenn das Bauelement beispielsweise zum Schalten einer induktiven oder induktivitätsbehafteten Last dient, ohne dass ein ausreichendes Freilaufelement bzw. ein ausreichender Freilaufstromzweig vorhanden ist. Bezugnehmend auf 6, in der das in 1 dargestellte Transistorbauelement anhand seines elektrischen Schaltsymbols dargestellt ist, ist die Laststrecke bzw. Drain-Source-Strecke DS des Transistorbauelements in diesem Fall in Reihe zu einer Last Z zwischen Klemmen für Versorgungspotentiale V+, GND geschaltet. Das Bezugszeichen Z in 4 bezeichnet hierbei eine Last Z, die insbesondere eine induktive oder zumindest induktivitätsbelastete Last ist. Das Bauelement mit dem Bezugszeichen Z repräsentiert in Figur die eigentliche Last, die angesteuert bzw. geschaltet werden soll, und auch parasitäre Induktivitäten, wie z. B. Induktivitäten der Zuleitungen zu der Last. Das Bezugszeichen 200 in 4 bezeichnet die oben erläuterte Ansteuerschaltung, die an den Gateanschluss G angeschlossen ist und die zur leitenden und sperrenden Ansteuerung des Bauelements dient.
Eine kleine Gate-Source-Kapazität, die ein schnelles Schalten des Bauelements bewirkt, und die damit während der Schaltvorgänge zu steilen Flanken eines das Bauelement zwischen Drain D und Source S durchfließenden Laststromes Ids und einer zwischen Drain und Source D, S anliegenden Lastreckenspannung Vds führt, ist insbesondere beim Schalten induktiver oder induktivitätsbehafteter Lasten problematisch, wenn kein ausreichender Freilaufstromzweig vorhanden ist. Steile Schaltflanken des Laststromes Ids, d. h. rasche Änderungen dIds/dt des Laststromes Ids über der Zeit, können zu hohen Spannungsspit zen der über der Last Z bzw. über anderen Schaltungsteilen und dem Schaltelement M anliegenden Spannungen führen. Darüber hinaus können bei einer kleinen Gate-Source-Kapazität bereits elektromagnetische Impulse, die auf den Gateanschluss G einwirken unter Umständen ausreichend sein, um den Schaltzustand des Bauelements zumindest kurzfristig zu ändern.
Ein anderer besonders kritischer Anwendungsfall, bei dem steile Schaltflanken auftreten können, ist dann vorhanden, wenn eine starke Kopplung zwischen Laststrompfaden und Ansteuerpfaden bzw. Kleinsignalstrompfaden in der Schaltung vorhanden ist. Laststrompfade sind dabei solche Strompfade, die die Last Z und die Laststrecke D–S des MOS-Transistors M umfassen, Ansteuerpfade sind solche Pfade, die zum Ansteueranschluss (Gateanschluss) G des MOS-Transistors führen. Eine solche starke Kopplung kann beispielsweise durch eine hohe Koppelkapazität oder eine hohe Koppelinduktivität bei benachbarter Leitungsführung der Leitungen für Laststrompfade und Ansteuerpfade gebildet sein. Eine solche starke Kopplung kann auch eine ohmsche Kopplung sein, die bei gemeinsamer Nutzung einer Leiterbahn für Laststrom und Steuerstrom vorhanden ist. Diese Kopplungen führen zu Rückwirkungen, die besonders bei sehr steilen Schaltflanken zur Anregung von Schwingungen oder zu anderen Störsignalen und Fehlfunktionen führen können. Eine Optimierung der Leiterbahnführung, um die Störempfindlichkeit der Schaltung bei steilen Schaltflanken zu reduzieren ist in manchen Fällen nicht möglich oder wegen des höheren Aufwands nicht erwünscht.
Bei dem in 1 dargestellten Transistorbauelement ist ein erstes kapazitives Bauelement 70 vorgesehen, das zwischen die Gateelektrode 41 und die Sourcezone 14 bzw. die Sourceelektrode 16 geschaltet ist. Dieses kapazitive Bauelement 70 ist in dem dargestellten Beispiel im Bereich der Driftsteuerzone 21 in dem Halbleiterkörper integriert und weist eine erste Elektrode 73 auf, die durch die Sourceelektrode 16 kontaktiert ist und die damit an die Sourcezone 14 elektrisch leitend angeschlossen ist. Das kapazitive Bauelement 70 weist außerdem eine zweite Anschlusselektrode 71 auf, die elektrisch leitend an die Gateelektrode 41 angeschlossen ist. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anschlusselektrode 71 und der Gateelektrode 41 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt. Ein Beispiel zur Realisierung einer solchen elektrisch leitenden Verbindung wird nachfolgend noch anhand von 5 erläutert werden. Das in 1 dargestellte kapazitive Bauelement 70 ist als ein sogenannter Grabenkondensator realisiert. Die erste Anschlusselektrode 73 erstreckt sich hierbei abschnittsweise in vertikaler Richtung ausgehend von der Vorderseite 101 derart in den Halbleiterkörper 100 hinein, dass zwischen zwei in lateraler Richtung beabstandeten Abschnitten der ersten Anschlusselektrode 73 ein Zwischenraum gebildet ist. In diesem Zwischenraum ist die erste Anschlusselektrode 71 angeordnet, die durch eine Dielektrikumsschicht 72, beispielsweise ein Oxid, dielektrische gegenüber der ersten Anschlusselektrode 73 isoliert ist. Das in 1 dargestellte kapazitive Bauelement 70 weist mehrere Grabenkondensatorstrukturen auf, die parallel zueinander geschaltet sind, indem sie eine gemeinsame erste Anschlusselektrode 73 besitzen und indem deren zweite Anschlusselektroden 71 gemeinsam an die Gateelektrode 41 angeschlossen sind.
Ein erstes kapazitives Bauelement 70 kann im Bereich jeder der Driftsteuerzonen 21 in dem Halbleiterkörper 100 integriert sein, wie dies in 1 dargestellt ist. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, solche kapazitive erste Bauelemente 70 im Bereich nur einiger Driftsteuerzonen 21 des Transistorbauelements zu integrieren. Die Anzahl der zu integrierenden ersten kapazitiven Bauelemente 70 und deren gewünschte Gesamtkapazität sind dabei abhängig von der gewünschten Gesamt-Gate-Source-Kapazität, und damit von dem gewünschten Schaltverhalten des Bauelements und kann mit den oben beschriebenen Maßnahmen einfach und ohne prozesstechnischen Mehraufwand über Masken realisiert werden. Selbstver ständlich kann die gesamte Anzahl der Grabenkondensatorstrukturen deutlich von den in 1 dargestellten zwei Grabenkondensatorstrukturen abweichen. Die Gesamt-Gate-Source-Kapazität ist bei diesem Bauelement durch die zuvor erläuterte immanent vorhandene Gate-Source-Kapazität, die durch die Gateelektrode 41, die Sourcezone 14 und Abschnitte des Gatedielektrikums 42 gebildet ist, sowie das parallel zu dieser Gate-Source-Kapazität geschaltete wenigstens eine erste kapazitive Bauelement 70 gebildet.
Die ersten und zweiten Anschlusselektroden 73, 71 des ersten kapazitiven Bauelements 70 können aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material bestehen, insbesondere einem Material, das kompatibel ist zu Herstellungsprozessen in der Halbleitertechnologie. Diese beiden Anschlusselektroden 73, 71 können beispielsweise aus einem dotierten polykristallinen Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, bestehen. Zur Herstellung des kapazitiven Bauelements 70 eignen sich beliebige zur Herstellung von Grabenkondensatoren geeignete und grundsätzlich bekannte Verfahrensschritte, so dass auf detaillierte Ausführungen hierzu verzichtet werden kann. Verfahrensschritte gemäß einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens sind aus Gründen der Vollständigkeit nachfolgend lediglich kurz umrissen:
Bei einem solchen Verfahren werden beispielsweise ausgehend von der Vorderseite 101 Gräben in dem Halbleiterkörper 100 hergestellt. Flächen des Halbleiterkörpers 100, die nach Herstellung dieser Gräben im Bereich der Driftsteuerzone 21 bzw. deren Anschlusszone 24 freiliegen, werden dann mit einer Dielektrikumsschicht 74 versehen, die zur elektrischen Isolation der späteren ersten Anschlusselektrode 73 gegenüber der Driftzone 21 bzw. deren Anschlusszone 24 dient. Das Herstellen dieser Dielektrikumsschicht 74 erfolgt beispielsweise durch Abscheiden eines Dielektrikums wie z. B. eines Oxids oder durch eine thermische Oxidation oder einer Kombination von mindestens einem Abscheideprozess und mindestens einer thermischen Oxidation. Anschließend wird auf der Dielektrikumsschicht 74 in den Gräben und oberhalb der Vorderseite 101 eine Elektrodenschicht 73 abgeschieden, die die spätere erste Anschlusselektrode 73 bildet. Freiliegende Oberflächen dieser Elektrodenschicht 73 werden anschließend mit einer Dielektrikumsschicht 72 bedeckt, die das Dielektrikum des späteren kapazitiven Bauelements 70 bildet. Die Dielektrikumsschicht 72 kann wie die vorbeschriebene Dielektrikumsschicht 74 hergestellt werden. Anschließend wird eine zweite Elektrodenschicht abgeschieden, die die späteren zweiten Anschlusselektroden 71 des kapazitiven Bauelements 70 bildet. Diese Elektrodenschicht und die vor Abscheiden dieser Elektrodenschicht 71 abgeschiedene Dielektrikumsschicht kann abschließend bis auf Höhe der zuerst abgeschiedenen Elektrodenschicht 73 – beispielsweise durch einen Rückätzprozess – entfernt werden, woraus die in 1 dargestellte Struktur mit einer Anschlusselektrode 73 und mehreren zweiten Anschlusselektroden 70 resultiert.
3 veranschaulicht anhand eines Querschnittes in der lateralen Schnittebene A-A ein Beispiel, wie ein Anschließen der Elektrode 41 an die zweiten Anschlusselektroden 71 realisiert werden kann. Die Transistorzellen sind in diesem Beispiel als Streifenzellen realisiert. Die Source- und Bodyzonen 14, 13 sowie die Anschlusselektroden 71, 73 und das Dielektrikum 72 des kapazitiven Bauelements 70 erstrecken sich dabei langgestreckt in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers. Zum Anschließen der zweiten Anschlusselektroden 71 an die Gateelektrode 41 ist eine Verbindungselektrode 43 vorhanden, die in einem Graben quer zu der Längserstreckungsrichtung der Transistorzellen verläuft und die elektrisch leitend an die Gateelektrode 41 und an die zweiten Anschlusselektroden 71 angeschlossen ist, die gegenüber den übrigen Bauelementzonen sowie der ersten Anschlusselektrode 73 elektrisch isoliert ist.
Außer der Gate-Source-Kapazität beeinflusst auch die Gate-Drain-Kapazität des Transistorbauelements dessen Schaltverhalten. Zur Erläuterung ist in 4 das Schaltsymbol dieser Gate-Drain-Kapazität C_GD in dem elektrischen Ersatzschaltbild des Transistorbauelements ebenfalls dargestellt. Bei statisch sperrendem Transistor M liegt über dieser Gate-Drain-Kapazität C_GD eine Spannung an, die der Differenz zwischen einem oberen Versorgungspotential V+ und dem Gatepotential entspricht. Beginnt der Transistor M bei einer leitenden Ansteuerung zu leiten, so beginnt die Drain-Source-Spannung Vds des Bauelements – die bei sperrendem Bauelement der Spannungsdifferenz zwischen oberem und unterem Versorgungspotential V+, GND entspricht – abzusinken. Mit Absinken der Drain-Source-Spannung Vds wird die Gate-Drain-Kapazität C_GD entladen. Der hierzu erforderliche Entladestrom bremst ein weiteres Aufladen der Gate-Source-Kapazität C_GS, bremst somit die stärkere Ausbildung des Inversionskanals in der Bodyzone entlang des Gatedielektrikums 42, und verzögert damit den Übergang des Bauelements in den vollständig leitenden Zustand. Dieser bekannte Effekt, der auch als Millereffekt bezeichnet wird, ist um so ausgeprägter, je größer die Gate-Drain-Kapazität C_GD ist. Die Schaltgeschwindigkeit eines Transistorbauelements ist damit um so geringer, je größer dessen Gate-Drain-Kapazität ist, bzw. die Schaltflanken der Drain-Source-Spannung Vds sind um so flacher, je größer die Gate-Drain-Kapazität ist.
Bezugnehmend auf 5 kann gegebenenfalls unerwünscht hohen Schaltflanken dadurch begegnet werden, dass ein zweites kapazitives Bauelement 80 vorgesehen ist, das parallel zu der Gate-Drain-Kapazität C_GD geschaltet ist. Dieses zweite kapazitive Bauelement 80 ist in dem dargestellten Beispiel zwischen die Gate-Elektrode 41 und die Driftsteuerzone 21 geschaltet. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass die Driftsteuerzone 21 bei sperrendem Bauelement, also dann, wenn die Gate-Drain-Kapazität besonders wirksam im Hinblick auf eine Beeinflussung des steilen Verlaufs der Schaltflanken ist ü ber das bei sperrendem Bauelement in Flussrichtung gepolte Gleichrichterelement 50 an Drainpotential angeschlossen ist. Dieses zweite kapazitive Bauelement 80 weist eine erste und eine zweite Elektrode auf, die durch ein Dielektrikum 82 dielektrisch gegeneinander isoliert sind. Die erste Elektrode ist in dem dargestellten Beispiel durch die Driftsteuerzone 21 und deren Anschlusszone 24 gebildet. Die zweite Anschlusselektrode 81 kann aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel einem Metall oder einem polykristallinen Halbleitermaterial bestehen. Diese zweite Anschlusselektrode 81 ist an die Gateelektrode 41 angeschlossen, was in 5 lediglich schematisch dargestellt ist. Ein Anschließen dieser zweiten Anschlusselektrode 81 an die Gateelektrode 41 kann in gleicher Weise erfolgen, wie das Anschließen der zweiten Elektrode 71 des ersten kapazitiven Bauelements 70 an die Gateelektrode 41, was anhand von 3 erläutert wurde.
Das zweite kapazitive Bauelement 80 kann – entsprechend dem ersten kapazitiven Bauelement 70 als Grabenkondensator realisiert sein. Hergestellt wird ein solcher Grabenkondensator beispielsweise dadurch, dass ein Graben ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper geätzt wird. Anschließend wird eine Dielektrikumsschicht, die das spätere Kondensatordielektrikum 82 bildet, auf freiliegende Oberflächen des Halbleiterkörpers in dem Graben und außerhalb des Grabens erzeugt. Anschließend wird der Graben mit einem Elektrodenmaterial aufgefüllt, das die spätere zweite Anschlusselektrode 81 bildet.
Entsprechend des ersten kapazitiven Bauelements 70 kann ein zweites kapazitives Bauelement 80 im Bereich jeder der Driftsteuerzonen 21 in dem Halbleiterkörper 100 integriert sein, wie dies in 5 dargestellt ist. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, solche kapazitive zweite Bauelemente 80 im Bereich nur einigen Driftsteuerzonen 21 bzw. mehrere zweite kapazitive Bauelemente 80 in einigen oder allen Driftsteu erzonen 21 des Transistorbauelements zu integrieren. Die Anzahl der zu integrierenden zweiten kapazitiven Bauelemente und deren gewünschte Gesamtkapazität sind dabei abhängig von der gewünschten Gesamt-Gate-Drain-Kapazität, und damit von dem gewünschten Schaltverhalten des Transistorbauelements. Die Gesamt-Gate-Drain-Kapazität dieses Bauelements ist durch die zuvor erläuterte immanent vorhandene Gate-Drain-Kapazität sowie das parallel zu dieser Gate-Drain-Kapazität geschaltete wenigstens eine zweite kapazitive Bauelement 80 gebildet.
Neben den ersten kapazitiven Bauelementen 70 und den zweiten kapazitiven Bauelementen 80 können bezugnehmend auf 5 in der Driftsteuerzone 21 weitere kapazitive Bauelemente 90 integriert werden, die zwischen der Driftsteuerzone 21 und dem Sourceanschluss S bzw. der Sourcezone 14 vorhanden sind. Diese kapazitiven Bauelemente 90 weisen in dem dargestellten Beispiel eine Elektrode 91, die an die Sourcezone 14 angeschlossen ist, und ein zwischen der Elektrode 91 und der Driftsteuerzone 21 vorhandenes Dielektrikum auf. Diese weitere kapazitiven Bauelemente dienen während des Betriebs des Bauelements dazu, bei sperrendem Bauelement elektrische Ladung aus der Driftsteuerzone 21 zwischenzuspeichern, die bei leitend angesteuertem Bauelement in der Driftsteuerzone 21 benötigt wird, um entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 einen leitenden Kanal in der Driftzone 11 auszubilden. Diese Kapazitäten können einen Teil der Ladeschaltung 60 bilden.
Bei dem Bauelement gemäß 1 sind solche zusätzlichen kapazitiven Bauelemente 90 durch die an die Sourceelektrode 16 bzw. die Sourcezonen 14 angeschlossenen ersten Anschlusselektroden 73 und die zwischen diesen ersten Anschlusselektroden 73 und der Driftsteuerzone 21 vorhandene Dielektrikumsschicht 74 gebildet. Durch die ersten und zweiten Anschlusselektroden 71, 73 und die ersten und zweiten Dielektrika 72, 74 werden bei dem Bauelement gemäß 1 somit zwei kapazitive Bauelemente gebildet: ein erstes kapazitives Bauelement zwischen Gate G und Source S; und ein zweites kapazitives Bauelement zwischen Source S und Driftsteuerzone 21. Sofern das zweite kapazitive Bauelement eine größere Kapazität als das erste kapazitive Bauelement besitzen soll, besteht die Möglichkeit, bei dem Halbleiterbauelement gemäß 1 zusätzliche kapazitive Bauelemente vorzusehen, wie sie anhand von 5 erläutert wurden und die dort mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet sind. Solche Bauelemente können auf einfache Weise dadurch erhalten werden, dass bei den anhand von Figur erläuterten Strukturen auf die zweite Elektrode 71 und das ersts Dielektrikum 72 verzichtet wird.
Bei einem weiteren nicht näher dargestellten Beispiel ist vorgesehen, in einem Halbleiterbauelement mehrere der anhand von 1 erläuterten Strukturen mit ersten und zweiten Anschlusselektroden 71, 73 und ersten und zweiten Dielektrika 72, 74 vorzusehen, bei einigen dieser Strukturen allerdings dien erste und zweite Anschlusselektrode 71, 73 kurzzuschließen und bei diesen Strukturen keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der zweiten Anschlusselektrode 71 und der Gateelektrode 41 vorzusehen. Diese zuletzt genannten Strukturen mit kurzgeschlossenen ersten und zweiten Anschlusselektrode 71, 73 bilden dann ausschließlich kapazitive Bauelemente zwischen der Sourcezone 14 und der Driftsteuerzone 21, während die übrigen Strukturen ohne solche Kurzschlüsse die zuvor genannten zwei kapazitiven Bauelemente bilden. Über das Verhältnis zwischen der Anzahl der Strukturen mit Kurzschlüssen zur Anzahl der Strukturen ohne Kurzschlüsse lässt sich in diesem Fall das Verhältnis zwischen der Kapazität des ersten kapazitiven Bauelements und der Kapazität des zweiten kapazitiven Bauelements einstellen.
6 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des in 5 dargestellten Transistorbauelements. Zwischen Drain D und Gate G des Transistorbauelements ist hierbei neben der immanent vorhandenen Gate-Drain-Kapazität das zweite kapazitive Bauelement 80 geschaltet.
Neben den Absolutwerten der Gesamt-Gate-Source-Kapazität und der Gesamt-Gate-Drain-Kapazität bestimmt auch das Verhältnis von Gesamt-Gate-Drain-Kapazität zu Gesamt-Gate-Source-Kapazität das Schaltverhalten des Bauelements. Zur Abstimmung dieses Verhältnisses von Gesamt-Gate-Drain-Kapazität zu Gesamt-Gate-Source-Kapazität besteht bezugnehmend auf 7 selbstverständlich auch die Möglichkeit, sowohl erste kapazitive Bauelemente 70 als auch zweite kapazitive Bauelemente 80 in dem Transistorbauelement zu integrieren.
8 veranschaulicht eine mögliche Realisierung des Gleichrichterelements 50 anhand eines Ausschnitts des Halbleiterbauelements. Die Drainzone 12 erstreckt sich in diesem Beispiel über die gesamte Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100. Die Drainzone 12 kann beispielsweise als hochdotiertes Halbleitersubstrat realisiert sein, auf das die übrigen zuvor erläuterten Bauelementzonen, insbesondere die Driftzone 11 und die Driftsteuerzone 21 durch Epitaxieverfahren aufgebracht sind. Zwischen der Drainzone 12 und der Driftsteuerzone 21 sind zwei komplementär zueinander dotierte Halbleiterzonen 22, 23 vorhanden, eine erste Halbleiterzone 23, die sich unmittelbar an die Driftsteuerzone 21 anschließt und eine zweite Halbleiterzone 22, die zwischen der ersten Halbleiterzone 23 und der Drainzone 12 angeordnet ist. Optional kann zwischen diesen ersten und zweiten Halbleiterzonen 22, 23 eine niedriger dotierte Halbleiterzone 25 des ersten oder zweiten Leitungstyps vorgesehen sein.
Die erste Halbleiterzone 23 ist in dem dargestellten Beispiel n-dotiert, die zweite Halbleiterzone 22 ist in dem Beispiel p-dotiert. Diese beiden Halbleiterzonen mit dem zwischen ihnen gebildeten pn-Übergang bilden gemeinsam das Gleichrichterelement 50, dessen Schaltsymbol in 8 zum besseren Verständnis ebenfalls dargestellt ist. Zwischen der zweiten Halbleiterzone 22 und der Drainzone 12 wird ebenfalls ein Gleichrichterelement 51 gebildet, welches aber auf Grund der hohen Dotierungen der zweiten Halbleiterzone 22 und der Drainzone 12 eine sehr geringe Sperrfähigkeit im Bereich von maximal einigen Volt besitzt. Bei Sperrspannungen von einigen hundert Volt ist der Spannungsabfall an dieser Gleichrichterelement 51 vernachlässigbar, so dass im Sperrfall davon ausgegangen werden kann, das die Driftsteuerzone 21 an ihrem der Rückseite 102 zugewandten Ende auf Drainpotential liegt.
Im Durchlassfall des Bauelements wird in der Driftzone 11 entlang des Akkumulationsdielektrikums 31 in vertikaler Richtung ein hoch leitfähiger Kanal gebildet, der den Einschaltwiderstand des Bauelements gegenüber Bauelementen ohne solche Driftsteuerzone 21 reduziert. Der Akkumulationskanal reicht – bei Integration des ersten Gleichrichterelements 50 in dem Halbleiterkörper 100 – in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 allerdings nur bis etwa auf Höhe der ersten Halbleiterzone 23, die sich an die Driftsteuerzone 21 anschließt. Um zu vermeiden, dass hieraus ein erhöhter Einschaltwiderstand resultiert, ist eine höher als die Driftzone 11 dotierte Verbindungszone 18 vorgesehen, die sich an das Driftsteuerzonendielektrikum 31 anschließt und die in der Driftzone 11 bis an die Drainzone 12 reicht. In vertikaler Richtung beginnt diese Anschlusszone 18 auf Höhe der ersten Halbleiterzone 23 oder – ausgehend von der Drainzone 12 – noch oberhalb der ersten Halbleiterzone 23. Ein Dotierungstyp dieser Verbindungszone entspricht einem Dotierungstyp der Drainzone 12.
Die Verbindungszone kann sich in lateraler Richtung über die gesamte Breite der Driftzone erstrecken, kann – wie in 8 dargestellt – jedoch auch so realisiert sein, dass sie sich parallel zu Abschnitten der Driftzone 11 bis an die Drainzone 12 erstreckt.
Ein Verfahren zur Herstellung der in 8 dargestellten Halbleiterstruktur mit dem integrierten Gleichrichterelement 50 und der Verbindungszone wird nachfolgend kurz erläutert: Ausgangspunkt des Verfahrens bildet die Bereitstellung eines Halbleitersubstrats, das die spätere Drainzone 12 bildet. Auf dieses Substrat werden anschließend ganzflächig aufeinanderfolgend eine erste Halbleiterschicht des Leitungstyps der zweiten Halbleiterzone 22 und eine Halbleiterschicht des Leitungstyps der niedriger dotierten Halbleiterzone 25 aufgebracht. Alternativ kann die Halbleiterzone 25 auch in einer niedrigerer Dotierung vom Leitungstyp der Halbleiterzone 22 ausgeführt sein. Im Bereich der späteren Driftzone 11 wird dann eine grabenförmige Aussparung in diesen Halbleiterschichten erzeugt, welche bis an das oder bis in das Halbleitersubstrat, das die Drainzone 12 bildet, reicht. An der Oberfläche der so entstandenen Halbleiterstruktur wird nun eine Halbleiterzone des Leitungstyps der späteren ersten Halbleiterzone 23 und der späteren Verbindungszone 18 hergestellt. Die Dotierung sollte hierbei so hoch sein, dass sie die Dotierung der ersten Halbleiterschicht, die die Zone 22 bildet, zweiten Halbleiterzone 22 übersteigt. Solche Dotierungen können z. B. aus der Gasphase oder aus auf der Halbleiterstruktur abgeschiedenen hoch dotierten Gläsern in die Halbleiterstruktur eingebracht werden. Nach einem Reinigen der Halbleiteroberfläche kann nun das Halbleitergebiet epitaktisch abgeschieden werden, das später die Driftzone 11 und die Driftsteuerzone 21 bildet. Im Bereich der Driftzone 11 kann dabei ein Lunker 17 verbleiben, welcher durch ein unvollständiges Aufwachsen der Epitaxie im Bereich der Driftzone 11 entstehen kann. Wird nun das Akkumulationsdielektrikum 31 durch einen tiefen Ätzprozess mit nachfolgendem Aufwachs- bzw. Füllprozess hergestellt, so entsteht eine Struktur wie in 8 dargestellt. Die mit 19 bezeichnete Halbleiterzone stellt dabei den durch das Akkumulationsdielektrikum 31 abgetrennten Rest der ersten Halbleiterschicht dar, die im Bereich der Driftsteuerzone die zweite Halbleiterzone 22 bildet Die Verbindungszone 18, die den elektrischen Anschluss des Akkumulationskanals an die Drainzone 12 herstellt, und die erste Halbleiterzone 23 sind ursprünglich ei ne gemeinsame Zone, die später durch das Driftsteuerzonendielektrikum 31 getrennt wird.
Die anhand von 8 erläuterte Struktur mit einer integrierten Diode kann bei einem beliebigen der in den anderen Figuren dargestellten Bauelemente verwendet werden.
Ein erstes Beispiel einer Ladeschaltung 60 ist in 9 im Detail dargestellt. Diese Ladeschaltung 60 weist ein erstes Gleichrichterelement 61, beispielsweise eine Diode, auf, die zwischen dem Gateanschluss G und der Anschlusszone 24 der Driftsteuerzone 21 geschaltet ist. Ein Laden der Driftsteuerzone 21 auf ein gegenüber der Driftzone 11 höheres elektrisches Potential erfolgt bei dieser Ladeschaltung aus dem Gatestromkreis bzw. über eine an den Gateanschluss G angeschlossene Ansteuerschaltung (nicht dargestellt). Die Ladeschaltung 60 umfasst außerdem eine Speicherkapazität 62, die in dem dargestellten Beispiel zwischen dem Sourceanschluss S und der Anschlusszone 24 der Driftsteuerzone 21 geschaltet. Diese Speicherkapazität 62 dient dazu, elektrische Ladung zu speichern, die bei sperrend angesteuertem Bauelement in Folge der sich in der Driftsteuerzone 21 ausbreitenden Raumladungszone aus der Driftsteuerzone 21 abfließen. Diese Ladungsträger sind bei dem dargestellten n-Kanal-MOSFET positive Ladungsträger, also Löcher.
Alternativ oder zusätzlich zu einer externen Speicherkapazität 62 können Speicherkapazitäten z. B. mit den Anschlusselektroden 73 und dem Dielektrikum 74 in der Driftsteuerzone 21 in dem Halbleiterkörper integriert sein.
In nicht näher dargestellter Weise kann eine einzige Ladeschaltung für alle Driftsteuerzonen des Halbleiterbauelements vorgesehen sein. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, mehrere Ladeschaltungen vorzusehen, die jeweils den Driftsteuerzonen einer Gruppe von Transistorzellen zugeordnet ist.
10 zeigt ein weiteres Beispiel der Ladeschaltung 60. Diese Ladeschaltung weist ein kapazitives Speicherelement 62 auf, das zwischen dem Sourceanschluss S und der Anschlusszone 24 der Driftsteuerzone 21 geschaltet ist. Zur Ladung dieses kapazitiven Speicherelements 62 ist eine Diode 61 vorhanden, die zwischen die Drainzone 12 bzw. den Drainanschluss D und den dem Sourceanschluss S abgewandten Anschluss des kapazitiven Speicherelements 62 geschaltet ist. Bei diesem Bauelement wird das kapazitive Speicherelement 62 jeweils dann, wenn das Bauelement sperrt, über die Diode 61 aufgeladen. Das kapazitive Speicherelement 62 speichert dadurch elektrische Ladung, die bei einem nachfolgenden Wiedereinschalten des Bauelements zum Aufladen der Driftsteuerzone benötigt wird. Um ein Aufladen des kapazitiven Speicherelements 62 nach oben hin zu begrenzen, ist ein selbstleitender Transistor vorhanden, dessen Laststrecke in Reihe zu der Diode 61 geschaltet ist, und dessen Steueranschluss auf Sourcepotential liegt. Dieser Transistor sperrt, wenn eine Spannung über der Reihenschaltung mit der Diode 61 und dem Ladungsspeicherelement 62 den Wert seiner Abschnürspannung erreicht. Über die Abschnürspannung dieses Transistors 62 ist auf diese Weise der maximale Spannungsabfall über dem Ladungsspeicherelement 62, und damit die maximale Aufladung dieses Ladungsspeicherelements einstellbar. Der Ladungsspeicher 62 kann wiederum ganz oder teilweise im Halbleiterkörper integriert sein.
Bei den zuvor erläuterten Halbleiterbauelementanordnungen sind die Transistorzellen des Halbleiterbauelements als Trenchtransistorzellen realisiert. Das zuvor erläuterte Konzept, das zusätzliche erste und zweite kapazitive Bauelemente 70, 80 vorsieht, ist selbstverständlich nicht auf die Verwendung solcher Trenchtransistorzellen beschränkt. So besteht bezugnehmend auf 11 beispielsweise auch die Möglichkeit, so genannte planare Transistorzellen zu realisieren. Die Gateelektrode 41 ist hierbei oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet. Ein durch die Gateelektrode 41 gesteuerter Inversionskanal bildet sich bei diesem Bauele ment in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers aus. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 11, wie auch in der nachfolgend noch erläuterten 12, die zusätzlichen ersten und/oder zweiten kapazitiven Bauelemente nicht dargestellt.
Für die bisherigen Erläuterungen wurde davon ausgegangen, dass die Transistorstruktur des erläuterten Bauelements eine Struktur eines n-Kanal-MOSFET ist. Die Sourcezone 14 und die Drainzone 12 eines solchen n-leitenden MOSFET sind n-dotiert, und die Bodyzone 13 ist p-dotiert. Die Gateelektrode 41 dient bei diesem Bauelement zur Steuerung eines Inversionskanals in der Bodyzone 13 zwischen der Sourcezone 14 und der Driftzone 11. Bei den bisher erläuterten Bauelementen ist die Driftzone 11 ebenfalls n-dotiert. In dieser Driftzone breitet sich, gesteuert durch das elektrische Potential der Driftsteuerzone 21 ein Akkumulationskanal entlang der Dielektrikumsschicht 31 aus. Die Driftsteuerzone 21 kann hierfür entweder n-dotiert oder p-dotiert sein. Abweichend von der bisherigen Erläuterung kann die Driftzone 11 vollständig oder teilweise auch p-dotiert sein. In diesem Fall breitet sich bei leitend angesteuertem Bauelement in der Driftzone 11 entlang der Dielektrikumsschicht 31 ein Inversionskanal aus. Bei einem n-leitenden Bauelement mit einer p-dotierten Driftzone 11 sind allerdings Maßnahmen zu treffen, durch die sichergestellt ist, dass bei leitend angesteuertem Bauelement eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Inversionskanal in der Bodyzone 13 und dem Inversionskanal entlang der Dielektrikumsschicht 31 besteht. 12 zeigt beispielhaft ein Bauelement, bei dem sich diese Kanäle unmittelbar aneinander anschließen. Die Gateelektrode 41 ist bei diesem Bauelement durch ein Gatedielektrikum 42 von der Bodyzone 13 getrennt, das sich unmittelbar in Verlängerung des Driftsteuerzonendielektrikums 31 befindet. Das Driftsteuerzonendielektrikum 31 und das Gatedielektrikum 42 können bei diesem Bauelement insbesondere als gemeinsame Dielektrikumsschicht realisiert sein. Der durch die Gateelektrode 41 in der Bodyzone 13 ge steuerte Inversionskanal und der durch die Driftsteuerzone 21 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 31 gesteuerte Akkumulationskanal (bei einer n-dotierten Driftzone 11) oder Inversionskanal (bei einer p-dotierten Driftzone 11) schließen sich bei diesem Bauelement unmittelbar aneinander an.
Bei den anhand der 1 und 9 erläuterten Bauelementen könnte die Driftzone 11 im unteren Bereich des Bauelements p-dotiert sein und im oberen Bereich n-dotiert. Der n-dotierte Bereich der Driftzone 11 gewährleistet hierbei eine Verbindung zwischen dem Inversionskanal, der sich in der Bodyzone 13 ausbildet, und dem sich entlang des p-dotierten Driftzonenabschnitts ausbildenden Inversionskanal. Das Bezugszeichen 11A bezeichnet in 1, 5, 7, 9 und 10 solche Driftzonenabschnitte, die bei Verwendung einer im unteren Bereich des Bauelements p-dotierten Driftzone n-dotiert sein sollten.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Verfahrens- oder Bauelementmerkmale, die nur im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurden, auch dann mit Verfahrens- oder Bauelementmerkmalen aus anderen Beispielen kombiniert werden können, wenn dies zuvor nicht explizit erläutert wurde. So können insbesondere Merkmale, die in einem der nachfolgenden Ansprüche wiedergegeben sind, mit Merkmalen beliebiger anderer Ansprüche kombiniert werden.

Claims

Transistorbauelement, das aufweist: eine Driftzone (11), eine Bodyzone (13), eine Sourcezone (14) und eine Drainzone (12), wobei die Driftzone (11) zwischen der Bodyzone (13) und der Drainzone (12) und die Bodyzone (13) zwischen der Sourcezone (14) und der Driftzone (11) angeordnet ist; eine Gateelektrode (41), die durch ein Gatedielektrikum (42) gegenüber der Bodyzone (13) dielektrisch isoliert ist; eine Gate-Source-Kapazität, die zwischen der Gateelektrode (41) und der Sourcezone (14) ausgebildet ist; eine Gate-Drain-Kapazität, die zwischen der Gateelektrode (41) und der Drainzone (12) ausgebildet ist; eine Driftsteuerzone (21), die benachbart zu der Driftzone (11) angeordnet ist und die durch ein Driftsteuerzonendielektrikum (31) dielektrisch gegenüber der Driftzone (11) isoliert ist; wenigstens eines der folgenden Bauelemente: wenigstens ein erstes kapazitives Bauelement (70), das zusätzlich zu der Gate-Source-Kapazität zwischen die Gateelektrode (41) und die Sourcezone (14) geschaltet ist; wenigstens ein zweites kapazitives Bauelement (80), das zusätzlich zu der Gate-Drain-Kapazität zwischen die Gateelektrode (41) und die Drainzone (12) geschaltet ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Driftzone (11), die Bodyzone (13), die Drainzone (12) und die Sourcezone (14) sowie das wenigstens eine erste oder zweite kapazitive Bauelement (70, 80) in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (100) integriert sind.
Transistorbauelement nach Anspruch 2, bei dem das erste oder zweite kapazitive Bauelement (70, 80) beabstandet zu der Gateelektrode (41) in dem Halbleiterkörper (100) integriert sind.
Transistorbauelement nach Anspruch 2, bei dem das erste oder zweite kapazitive Bauelement (70, 80) wenigstens abschnittsweise in der Driftsteuerzone (21) oder angrenzend an die Driftsteuerzone (21) in dem Halbleiterkörper (100) integriert ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem das wenigstens eine erste kapazitive Bauelement (70) aufweist: eine erste Elektrode (71), die an die Gateelektrode (41) angeschlossen ist; eine zweite Elektrode (73), die an die Sourcezone (14) angeschlossen ist und die gegenüber der Driftsteuerzone (21) isoliert ist; ein zwischen der ersten Elektrode (71) und der zweiten Elektrode (73) angeordnetes erstes Dielektrikum (72).
Transistorbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Driftsteuerzone (21) an die Drainzone (12) gekoppelt ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 6, bei dem die Driftsteuerzone über ein Gleichrichterelement an die Drainzone gekoppelt ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das wenigstens eine zweite kapazitive Bauelement (80) aufweist: eine erste Elektrode (81), die an die Gateelektrode (41) angeschlossen ist; ein zweites Dielektrikum (82), das zwischen der ersten Elektrode (81) und der Driftsteuerzone (21) angeordnet ist.
Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Ladeschaltung an die Driftsteuerzone (21) angeschlossen ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 9, bei dem die Ladeschaltung aufweist: ein Gleichrichterelement, das zwischen die Gateelektrode (41) und die Driftsteuerzone (21) geschaltet ist; ein weiteres kapazitives Bauelement (90), das zwischen die Driftsteuerzone (21) und die Sourcezone (14) geschaltet ist.
Transistorbauelement nach Anspruch 9, bei dem die Ladeschaltung aufweist: ein Gleichrichterelement (50), das zwischen die Drainzone (12) und die Driftsteuerzone (21) geschaltet ist; ein weiteres kapazitives Bauelement (90), das zwischen die Driftsteuerzone (21) und die Sourcezone (14) geschaltet ist.