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Die
Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere
ein bipolares Leistungshalbleiterbauelement.
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Bipolare
Leistungshalbleiterbauelements, wie z. B. Leistungs-IGBT oder Leistungsdioden
besitzen eine – üblicherweise
niedrig dotierte – Basiszone, die
mit einer weiteren Halbleiterzone einen pn-Übergang bildet. Das Bauelement
sperrt, wenn dieser pn-Übergang
durch Anlegen einer Sperrspannung in Sperrrichtung gepolt ist. In
diesem Fall bildet sich in der Basiszone eine Raumladungszone aus,
die sich ausgehend von dem pn-Übergang
um so weiter in die Basiszone hinein erstreckt, je höher die
anliegende Sperrspannung ist und je geringer die Dotierung der Basiszone
ist.
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Solche
Leistungshalbleiterbauelemente sollen erstens eine hohe dynamische
Robustheit besitzen, sollen also in der Lage sein, auch hohe Ströme schnell
und sicher abzuschalten; sollen zweitens eine hohe statische Spannungsfestigkeit
besitzen; und sollen drittens auch in der Lage sein, nach Auftreten
eines Avalanche-Durchbruchs einen Avalanchestrom zu führen, ohne
dabei zerstört
zu werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungshalbleiterbauelement,
das diese Eigenschaften besitzt, und ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Leistungshalbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Leistungs-IGBT gemäß Anspruch 1, eine Leistungsdiode gemäß Anspruch
11 und durch Verfahren gemäß der Ansprüche 15 und
19 gelöst.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft einen Leistungs-IGBT, der aufweist:
einen Halbleiterkörper
mit einer ersten und einer zweiten Seite und einem Rand und mit
einer Innenzone und einer sich an die Innenzone in einer lateralen
Richtung des Halbleiterköpers anschließenden und
an den Rand angrenzenden Randzone; eine Basiszone eines ersten Leitungstyps,
die in der wenigstens einen Innenzone und der wenigstens einen Randzone
angeordnet ist; eine in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers benachbart
zu der Basiszone angeordnete erste Emitterzone eines zu dem ersten
Leitungstyp komplementären
zweiten Leitungstyps; eine Feldstoppzone des ersten Leitungstyps,
die in der Basiszone angeordnet ist und die einen ersten Feldstoppzonenabschnitt
mit einer ersten Dotierstoffdosis in der Randzone und einen zweiten
Feldstoppzonenabschnitt mit einer zweiten Dotierstoffdosis in der
Innenzone aufweist, wobei die erste Dotierstoffdosis höher als
die zweite Dotierstoffdosis ist.
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Ein
zweiter Aspekt betrifft eine Leistungsdiode, die aufweist: einen
Halbleiterkörper
mit einer ersten und einer zweiten Seite und einem Rand und mit einer
Innenzone und einer sich an die Innenzone in einer lateralen Richtung
des Halbleiterköpers
anschließenden
und an den Rand angrenzenden Randzone; eine Basiszone eines ersten
Leitungstyps, die in der wenigstens einen Innenzone und der wenigstens
einen Randzone angeordnet ist; eine in einer vertikalen Richtung
benachbart zu der Basiszone angeordnete erste Emitterzone des ersten
Leitungstyps in der Innenzone, die eine höhere Dotierungskonzentration
als die Basiszone aufweist; eine in der vertikalen Richtung benachbart
zu der Basiszone angeordnete Feldstoppzone des ersten Leitungstyps
in der Randzone, die eine höhere
Dotierungskonzentration als die Basiszone und eine geringere Dotierungskonzentration
als die Emitterzone aufweist.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauelementstruktur
in einem Halbleiterkörper, der
eine erste und eine zweite Seite aufweist, wobei das Verfahren zur
Herstellung von zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen des
gleichen Leistungstyps aufweist: Durchführen einer ersten Implantation,
bei der Dotierstoffatome eines ersten Leitungstyps über eine
der Seiten ganzflächig
in den Halbleiterkörper
implantiert werden; Herstellen einer Maske auf der einen Seite,
die die eine Seite teilweise freilässt; Entfernen wenigstens eines Teils
der implantierten Dotierstoffatome durch Abtragen des Halbleiterkörpers ausgehend
von der einen der Hauptseiten in dem durch die Maske freigelassenen
Bereich; Entfernen der Maske, wobei vor oder nach Entfernen der
Maske eine zweite Implantation durchgeführt wird, bei der Dotierstoffatome
des ersten Leitungstyps über
die eine der Seiten in den Halbleiterkörper implantiert werden.
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Beispiele
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Der
Schwerpunkt liegt dabei auf der Erläuterung des Grundprinzips.
In den Figuren sind somit lediglich die zum Verständnis dieses
Grundprinzips notwendigen Schaltungskomponenten bzw. Signale dargestellt.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 veranschaulicht
ein erstes Beispiel eines Leistungs-IGBT, der einen Halbleiterkörper mit einer
Innenzone und einer Randzone aufweist, anhand eines Querschnitts
durch den Halbleiterkörper.
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2 veranschaulicht
einen Leistungs-IGBT mit Trenchtransistorzellen.
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3 veranschaulicht
ein erstes Beispiel eines Randabschlusses im Bereich der Randzone.
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4 veranschaulicht
ein zweites Beispiel eines Randabschlusses im Bereich der Randzone.
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5 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung
einer Feldstoppzone mit zwei unterschiedlich dotierten Feldstoppzonenabschnitten
eines Leistungs-IGBT anhand von Querschnitten durch einen Halbleiter
während
verschiedener Verfahrensschritte.
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6 veranschaulicht
ein Beispiel einer Leistungsdiode anhand eines Querschnitts durch
einen Halbleiterkörper.
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7 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung
einer Emitterzone und einer Feldstoppzone einer Leistungsdiode anhand
von Querschnitten durch einen Halbleiterkörper während verschiedener Verfahrensschritte.
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1 veranschaulicht
ein Beispiel eines Leistungs-IGBT anhand einer vertikalen Querschnittsdarstellung.
Dieser Leistungs-IGBT weist einen Halbleiterkörper 100 mit einer
ersten Seite 101, die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet
wird, und einer zweiten Seite 102, die nachfolgend als
Rückseite
bezeichnet wird, auf. Die Vorder- und Rückseite 101, 102 begrenzen
den Halbleiterkörper 100 in
einer vertikalen Richtung. In lateraler Richtung ist der Halbleiterkörper durch
einen Rand 103 begrenzt, der in dem dargestellten Beispiel
senkrecht zu der Vorder- und Rückseite 101, 102 verläuft, der
jedoch auch abgeschrägt
gegenüber
der Vorderseite 101 bzw. der Rückseite 102 verlaufen
kann (nicht dargestellt).
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Der
Halbleiterkörper 100 weist
eine Randzone 112 auf, die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 an
den Rand 103 angrenzt und an die sich in lateraler Richtung
an einer dem Rand 103 gegenüberliegenden Seiten an die
Innenzone 111 des Halbleiterkörpers 100 anschließt. In einer
senkrecht zu der in 1 dargestellten Schnittebene
verlaufenden Ebene um gibt die Randzone 112 die Innenzone 111 vollständig. Der
Halbleiterkörper 100 kann
die Geometrie einer Kreisscheibe besitzen, der Rand 103 bzw.
die Randzone 112 besitzen dann eine kreisringförmige Geometrie.
Darüber
hinaus kann der Halbleiterkörper 100 auch
jede beliebige andere scheibenförmige
Geometrie, beispielsweise eine rechteckscheibenförmige Geometrie besitzen.
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Der
IGBT weist eine Basiszone 25 eines ersten Leitungstyps
auf, die sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers über die
Innenzone 111 und die Randzone 112 erstreckt.
Diese Basiszone 25 ist eine n-dotierte Halbleiterzone,
wenn der IGBT ein n-Kanal-IGBT ist, und eine p-dotierte Halbleiterzone, wenn
der IGBT ein p-Kanal-IGBT ist. Eine Dotierungskonzentration dieser
Basiszone 25 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1012 cm–3 und 1015 cm–3,
und kann insbesondere zwischen 1013 cm–3 und 1014 cm–3 liegen. Die Dotierung
der Basiszone 25 resultiert beispielsweise aus einer Grunddotierung,
die der Halbleiterkörper 100 besitzt,
bevor weitere, nachfolgend noch erläuterte Halbleiterzonen des
IGBT hergestellt werden.
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In
der Innenzone 111 weist der IGBT ein Transistorzellenfeld
mit mehreren jeweils gleichartig aufgebauten Transistorzellen auf.
Jede diese Transistorzellen weist eine Sourcezone 26 des
ersten Leitungstyps, die auch als Emitterzone bezeichnet wird, und
eine zwischen der Sourcezone 26 und der Basiszone 25 angeordnete
Bodyzone 27 eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten
Leitungstyps auf. Zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Bodyzone 27 zwischen
der Sourcezone 26 und der Basiszone 25 ist eine
Gateelektrode 31 vorhanden, die durch ein Gatedielektrikum 32 dielektrisch gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 isoliert
ist und die benachbart zu der Bodyzone 27 angeordnet ist. Diese
Gateelektrode 31 ist allen Transistorzellen gemeinsam und
ist in dem dargestellten Beispiel als planare Gateelektrode realisiert,
die oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet ist.
Die Sourcezonen 26 der einzelnen Transistorzellen sind
durch eine erste Anschlusselektrode 41 kontaktiert, die
die Sourcezonen 26 und die Bodyzonen 27 in dem
dargestellten Beispiel kurzschließt und die einen Sourceanschluss
bzw. einen ersten Emitteranschluss E des Leistungs-IGBT bildet.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass das Vorsehen von Transistorzellen mit
einer planaren Gateelektrode lediglich als Beispiel zu verstehen
ist und dass selbstverständlich
Transistorzellen mit einer beliebigen anderen Geometrie der Gateelektrode
vorgesehen werden können,
wie z. B. Trenchtransistorzellen. 2 zeigt
anhand eines Querschnitts durch den Halbleiterkörper 100 ein Beispiel
solcher Trenchtransistorzellen. Bei diesen Trenchtransistorzellen
ist die Gateelektrode 31 in Gräben angeordnet, die sich in
vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 ausgehend
von der Vorderseite 101 durch die Sourcezone 26 und
die Bodyzone 27 bis in die Basiszone 25 erstrecken,
und ist durch das Gatedielektrikum 32 dielektrisch gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 isoliert.
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Bezug
nehmend auf 1 endet das Transistorzellenfeld
in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 im Übergangsbereich
zwischen der Innenzone 111 und der Randzone 112,
und damit beabstandet zu dem Rand 103. Die Transistorzellen sind
in dem dargestellten Bespiel im Bereich der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers 100 in
der Innenzone 111 angeordnet. Das Halbleiterbauelement weist
einen Randabschluss 50 auf, der in der Randzone 112 angeordnet
ist und der in 1 lediglich schematisch dargestellt
ist. Dieser Randabschluss kann ein beliebiger, für Leistungshalbleiterbauelemente
geeigneter Randabschluss sein.
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Bezug
nehmend auf 3 kann dieser Randabschluss 50 beispielsweise
sogenannte Feldringe 51 umfassen die die Innenzone 111 bzw.
das Transistorzellenfeld in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 ringförmig umschließen. Diese
Feld ringe 51 sind dotierte Halbleiterzonen des zu dem Dotierungstyp
der Basiszone 25 komplementären Leitungstyps und sind in
Richtung des Randes 103 beabstandet zueinander angeordnet
im Bereich der Vorderseite 101 angeordnet. Oberhalb dieser
Feldringe 51 kann eine Passivierungsschicht 53,
wie z. B. eine Oxidschicht, auf die Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers
aufgebracht sein. Optional weist der Randabschluss 50 weiterhin
Feldplatten 54 auf, die jeweils einen der Feldringe 51 kontaktieren
und die auf oder in der Passivierungsschicht 53 angeordnet sind.
Bei dem in 3 dargestellten Randabschluss ist
an jeden der Feldringe 51 eine solche Feldplatte 54 angeschlossen.
Selbstverständlich
besteht auch die Möglichkeit,
solche Feldplatten nur im Zusammenhang mit einzelnen der Feldringe
vorzusehen.
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Optional
umfasst der Randabschluss 50 außerdem einen Kanalstopper (Channelstopper),
der in lateraler Richtung zwischen dem Rand 103 und dem am
nächsten
zu dem Rand 103 liegenden Feldring 51 angeordnet
ist. Dieser Kanalstopper ist eine Halbleiterzone des gleichen Leitungstyps
wie die Basiszone 25, ist jedoch höher dotiert. Entsprechend der
Feldringe 51 umgibt der Kanalstopper 52 das Transistorzellenfeld
in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers vollständig.
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Ein
weiteres Beispiel eines Randabschlusses 50 ist in 4 dargestellt.
Dieser Randabschluss weist im Bereich der Vorderseite 101 eine
sogenannte VLD-Zone (VLD = Variation of Lateral Doping) auf. Dies
ist eine Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps, deren Dotierungskonzentration
in Richtung des Randes 103 kleiner wird und/oder deren
Abmessungen in vertikaler Richtung mit kleiner werdendem Abstand
zu dem Rand 103 kleiner werden. Diese VLD-Zone umgibt das
Transistorzellenfeld in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 vollständig. Optional
ist oberhalb dieser VLD-Zone eine Passivierungsschicht 53 auf
die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers aufgebracht. Entsprechend
dem anhand von 4 erläuterten Randabschluss mit Feldringen ist
optional zwischen der VLD-Zone 55 und
dem Rand 103 ein Kanalstopper 52 vorhanden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Randabschlüsse gemäß der 3 und 4 lediglich
zum besseren Verständnis
dargestellt sind und dass selbstverständlich beliebige weitere für Leistungshalbleiterbauelemente
geeignete Randabschlüsse
bei dem Leistungs-IGBT verwendet werden können, wie z. B. JTE-Randabschlüsse (JTE =
Junction Termination Extension) oder aber auch abgeschrägte Ränder.
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Bezug
nehmend auf 1 weist der IGBT eine zweite
Emitterzone 22 auf, die wenigstens in der Innenzone 111 angeordnet
ist und die sich in dem dargestellten Beispiel an die zweite Seite 102 anschließt. Diese
weitere Emitterzone, die auch als Drainzone oder Kollektorzone bezeichnet
wird, ist bei einem n-Kanal-IGBT p-dotiert und bildet den p-Emitter
des Bauelements. Diese zweite Emitterzone ist durch eine zweite
Anschlusselektrode 42 bzw. zweite Emitterelektrode kontaktiert,
die auf die Rückseite 102 des
Halbleiterkörpers 100 aufgebracht
ist. Bei einem n-Kanal-IGBT wird diese zweite Emitterelektrode auch
als Kollektor K bezeichnet.
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In
der Basiszone 25 ist benachbart zu der zweiten Emitterzone 22 eine
Feldstoppzone vorhanden, die zwei unterschiedlich dotierte Feldstoppzonenabschnitte
aufweist: einen ersten Feldstoppzonenabschnitt 23 in der
Innenzone 111 und einen zweiten Feldstoppzonenabschnitt 24 in
der Randzone 112. Der erste Feldstoppzonenabschnitt 23 schließt sich
in dem dargestellten Beispiel unmittelbar an die zweite Emitterzone 22 an,
kann jedoch auch beabstandet zu der zweiten Emitterzone 22 angeordnet
sein. Die Feldstoppzone ist in diesem Fall allerdings so realisiert,
dass sie wesentlich näher
an der zweiten Emitterzone 22 als an den Bodyzonen 27 des
Transistorzellenfeldes liegt. Ein Abstand zwischen der Feldstoppzone 23, 24 und
den Bodyzonen 27 ist hierbei beispielsweise 5-mal bis 10-mal
so groß,
wie ein Abstand zwischen der Feldstoppzone 23, 24 und
der zweiten Emitterzone 22.
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Der
erste Feldstoppzonenabschnitt 23 ist niedriger dotiert
als der zweite Feldstoppzonenabschnitt 24 bzw. besitzt
in vertikaler Richtung eine niedrigere Dotierstoffdosis als der
zweite Feldstoppzonenabschnitt 24. Die Dotierstoffdosis
(Einheit: cm–2)
entspricht dabei dem räumlichen
Integral der Dotierungskonzentration (Einheit: cm–3)
in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100. Die Feldstoppzone 23, 24 kann
durch Implantation von Dotierstoffatomen in einen bereits eine Grunddotierung
aufweisenden Abschnitt des Halbleiterkörpers 100 erfolgen. Die
Grunddotierung entspricht hierbei beispielsweise der späteren Dotierung
der Basiszone 25. Die Dotierstoffdosis der Feldstoppzone
setzt sich dann aus der bereist vorhandenen Dotierstoffdosis und
der zusätzlich
eingebrachten Implantationsdosis zusammen.
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Die
Dotierstoffdosis D24 des zweiten Feldstoppzonenabschnitts 24 beträgt beispielsweise
zwischen 1·1012 cm–2 und 5·1013 cm–2 oder zwischen 1·1012 cm–2 und 1013 cm–2 und
insbesondere zwischen 2·1012 cm–2 und 1013 cm–2.
Ein Verhältnis
zwischen der höheren
Dotierstoffdosis D24 des zweiten Feldstoppzonenabschnitts 24 und
der niedrigeren Dotierstoffdosis D23 des
ersten Feldstoppzonenabschnitts 23 beträgt beispielsweise zwischen
1,5 und 5 (D24/D23 =
1,5 ... 5). Die Dotierstoffdosis des ersten Feldstoppzonenabschnitts 23 beträgt beispielsweise
das 0,3-fache bis 5-fache der Durchbruchsladung des Halbleitermaterials
der Feldstoppzone bzw. des Halbleiterkörpers, wie z. B. Silizium.
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Die
Dotierstoffdosis der zweiten Emitterzone 22 im Bereich
der Innenzone 111 beträgt
beispielsweise einige 1011 cm–2 bis
1015 cm–2.
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Die
Dotierungskonzentrationen der zweiten Emitterzone 22 sowie
des ersten und zweiten Feldstoppzonenabschnitts 23, 24 sind
abhängig
von den Abmessungen dieser Halbleiterzonen in vertikaler Richtung.
Eine Randkonzentration des zweiten Emitters 22 beträgt beispielsweise
zwischen 1016 cm–3 und
1018 cm–3.
Im Übergangsbereich
zu der Feldstoppzone 23, 24 beträgt eine
Schnittpunktkonzentration beispielsweise zwischen 1014 cm–3 und
1016 cm–3.
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Die
Dotierungsverläufe
in der Basiszone 25 sowie dem ersten Feldstoppzonenabschnitt 23 und der
zweiten Emitterzone 22 sind im rechten Teil der 1 schematisch
dargestellt. Die Dotierungsverläufe
in der Basiszone 25 und dem höher dotierten zweiten Feldstoppzonenabschnitt 24 sind
im linken Teil der 1 schematisch dargestellt.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel endet die zweite Emitterzone 22 in
lateraler Richtung des Halbleiterkörpers im Übergangsbereich zwischen der Innenzone 111 und
der Randzone 112, also noch vor dem Rand 103 und
ist damit im wesentlichen auf die Innenzone 111 begrenzt.
Wie in 1 dargestellt ist, kann die zweite Emitterzone 22 in
lateraler Richtung noch innerhalb der Innenzone 111 also
innerhalb der Transistorzellen enden. Die Innenzone ist in diesem Fall
durch den Bereich des Halbleiterkörpers 100 definiert,
in dem aktive Transistorzellen des Transistorzellenfeldes vorhanden
sind. Eine Transistorzelle, wie sie in 1 am Rand
des Zellenfeldes angeordnet ist und die keine Sourcezone aufweist,
ist keine solche aktive Transistorzelle.
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Die
Funktionsweise des anhand von 1 dargestellten
Leistungs-IGBT wird nachfolgend erläutert. Zu Zwecken der Erläuterung
sei angenommen, dass der IGBT ein n-Kanal-IGBT ist, dass also die
Basiszone 25, die Sourcezone 26 und die Feldstoppzone 23, 24 n-dotierte
Halbleiterzonen und dass die Bodyzone 27 und die zweite
Emitterzone bzw. Drainzone 22 p-dotierte Halbleiterzonen sind. Die nachfolgende
Erläuterung
gilt in entsprechender Weise auch für einen IGBT mit komplementär dotierten
Halbleiterzonen, wobei in diesem Fall die Vorzeichen bzw. Polungen
der nachfolgenden genannten Potentiale bzw. Spannungen zu vertauschen
sind.
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Der
IGBT leitet, wenn eine positive Spannung zwischen Kollektor K und
Emitter E anliegt und wenn an der Gateelektrode 31 ein
Ansteuerpotenzial anliegt, das zur Ausbildung eines leitenden Kanals
in der Bodyzone 27 zwischen der Sourcezone 26 und der
Basiszone 25 geeignet ist. Bei leitend angesteuertem IGBT
werden Elektronen aus der Sourcezone 26 über den
Kanal in der Bodyzone 27 und Löcher aus der zweiten Emitterzone 22 in
die Basiszone 25 emittiert. Das Bauelement sperrt, wenn
zwischen Kollektor K und Emitter E eine positive Spannung anliegt,
wenn jedoch kein zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Bodyzone 27 geeignetes
Ansteuerpotenzial an der Gateelektrode 31 anliegt. In diesem Fall
breitet sich eine Raumladungszone ausgehend von dem pn-Übergang
zwischen der Bodyzone 27 und der Basiszone 25 in
vertikaler Richtung in der Basiszone 25 aus. Die statische
Spannungsfestigkeit des Bauelements ist dabei maßgeblich bestimmt durch die
Abmessungen der Basiszone 25 in vertikaler Richtung und
deren Dotierungskonzentration.
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Sperrt
der IGBT nachdem zuvor ein Laststrom geflossen ist, so ist die Basiszone 25 zu
Beginn des Sperr- oder Abschaltvorgangs noch mit Löchern überflutet,
die bei einem Abschalten die Spannungsfestigkeit des Bauelements
gegenüber
der statischen Spannungsfestigkeit reduzieren können.. Um zu Erreichen, dass
die Randzone 112 bei leitendem Leistungs-IGBT weniger stark
mit freien Ladungsträgern, insbesondere
Löchern, überflutet
wird, wie die Innenzone 111, ist der Emitter-Wirkungsgrad des
zweiten Emitters 22 im Bereich der Randzone 112 reduziert. Dies
kann Bezug nehmend auf 1 dadurch erreicht werden, dass
dieser zweite Emitter 22 im Bereich der Randzone 112 weggelassen
ist. Alternativ besteht die Möglichkeit,
den zweiten Emitter 22 im Bereich der Randzone 112 zwar
vorzusehen, in diesem Bereich jedoch niedriger zu dotieren als im
Bereich der Innenzone 111. 1 zeigt
gestrichelt einen solchen niedriger dotierten Bereich der zweiten Emitterzone 22,
der mit 221 bezeichnet ist. Die
geringere Überflutung
der Randzone 112 mit Ladungsträgern bei leitendem Bauelement
bewirkt, dass bei einem Abschalten eines den IGBT durchfließenden Laststromes
die dynamische Spannungsfestigkeit des Bauelements in der Randzone 112 höher als
in der Innenzone 111 ist. Sofern es zu einem Avalanche-Durchbruch
kommt, tritt dieser dann zuerst in der Innenzone 111, die
flächenmäßig größer als
die Randzone 112 ist, und nicht in der flächenmäßig kleineren
Randzone 112 auf.
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Kommt
es bei dem erläuterten
Bauelement zu einem Avalanche-Durchbruch,
so werden in der Basiszone 25 durch Stossionisation weitere
Ladungsträger – in dem
erläuterten
Beispiel außer
p-Ladungsträgern
bzw. Löchern
auch n-Ladungsträger bzw.
Elektronen – erzeugt,
die in Richtung der Rückseite 102 fließen. Bei
einem Avalanche-Durchbruch gilt es zu vermeiden, dass eine im Zusammenhang mit
dem fließenden
Avalanche-Strom stehende Raumladungszone bis an die Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 durchgreift.
Im Bereich der Innenzone 111 wird ein solches Durchgreifen
der Raumladungszone durch die zweite Emitterzone 22 erschwert,
aus der Löcher
in die Basiszone 25 emittiert werden, sobald die Raumladungszone
bis an die Emitterzone 22 durchgreift. Diese Löcher kompensieren
den durch Stossionisation in der Basiszone 25 erzeugten
Elektronenstrom zumindest teilweise. Im Bereich der Randzone 112,
in dem keine zweite Emitterzone 22 oder eine schwächer dotierte
zweite Emitterzone 221 vorhanden
ist, wird ein solches Durchgreifen des elektrischen Feldes an die
Rückseite 102 hingegen
durch den höher
dotierten zweiten Feldstoppzonenabschnitt 24 erschwert
bzw. verhindert, so dass nicht bereits bei geringen Avalanche-Strömen die
Raumladungszone bis an die Rückseite 102 und
damit an eine rückseitige
Metallisierungsschicht durchgreifen kann, was eine Beschädigung oder
Zerstörung
des Leistungs-IGBT bedeuten würde.
Das erläuterte
Bauelement besitzt somit sowohl eine hohe dynamische Robustheit
als auch – im
Fall eines Avalanche-Durchbruchs – eine hohe Avalanche-Stromfestigkeit.
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Ein
mögliches
Verfahren zur Herstellung der Feldstoppzone mit den zwei unterschiedlich
dotierten Feldstoppzonenabschnitten 23, 24 und
einer im Bereich der Randzone 112 ausgesparten zweiten
Emitterzone 22 wird nachfolgend anhand der 5A bis 5C erläutert. Diese
Figuren zeigen Querschnitte durch den Halbleiterkörper 100 während verschiedener
Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens.
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Während erster
Verfahrensschritte, die in 5A dargestellt
sind, werden Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps über eine
der Seiten, in dem Beispiel die Rückseite 102, in den
Halbleiterkörper 100 implantiert.
Diese dotierten Dotierstoffatome bilden vollständig – oder wenigstens teilweise – den späteren höher dotierten
zweiten Feldstoppzonenabschnitt 24. Mit 24' ist in 5A ein
Bereich des Halbleiterkörpers 100 bezeichnet,
in den diese Dotierstoffatome implantiert werden. Die vertikalen
Abmessungen dieses Bereichs 24' sind von den Implantationsbedingungen,
insbesondere der Implantationsenergie, abhängig. Diese Implantationsenergie
ist beispielsweise so gewählt,
dass die Eindringtiefe der implantierten Dotierstoffatome ausgehend
von der Rückseite 102 unterhalb
von 200 nm, insbesondere unterhalb von 120 nm liegt. Als Dotierstoffatome
werden insbesondere solche Dotierstoffatome verwendet, die niedrige
Energieniveaus aufweisen, die einen Abstand von mindestens 100 MeV
zur Leitungsbandkante des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers aufweisen.
Der Halbleiterkörper 100 besteht beispielsweise
aus Silizium. n-Dotierstoffatome
mit im Vergleich zu Silizium niedrigen Energieniveaus sind beispielsweise
Selen oder Schwefel. Die Verwendung solcher Dotierstoffatome zur
Realisierung des höher
dotierten zweiten Feldstoppzonenabschnitts 24 bewirkt,
dass die zusätzliche
Dotierung bei sperrendem Bauelement nahezu vollständig zur Verfügung steht,
um den Durchgriff der Raumladungszone zur Rückseite 102 des Halbleiterkörpers zu
ver hindern. Bei leitendem Bauelement ist die zusätzliche Dotierung aufgrund
der tiefliegenden Energieniveaus jedoch nicht in vollem Umfang aktiv,
so dass der höher
dotierte zweite Feldstoppzonenabschnitt 24 bei leitendem
Bauelement nicht – oder
nur in geringem Maß – als zusätzlicher
Emitter wirkt, der die dynamischen Eigenschaften des Bauelements beeinträchtigen
würde.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt, der in 5B dargestellt
ist, werden die zuvor eingebrachten Dotierstoffatome vollständig oder
wenigstens teilweise wieder entfernt. Hierzu wird Bezug nehmen auf 6B eine Maske 60 auf der Rückseite 102 hergestellt,
die solche Bereiche frei lässt,
in denen die zweite Emitterzone 22 und der schwächer dotierte erste
Feldstoppzonenabschnitt 23 hergestellt werden soll. Unter
Verwendung dieser Maske wird der Halbleiterkörper 100 ausgehend
von der Rückseite 102 abgetragen
und zwar so weit, bis die zuvor implantierten Dotierstoffatome in
diesem Bereich vollständig oder
wenigstens teilweise wieder entfernt sind. In dem in 5B dargestellten
Beispiel werden die zuvor eingebrachten Dotierstoffatome vollständig entfernt.
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Bezug
nehmend auf 5C werden anschließend unter
Beibehaltung der Maske 60 zwei Implantationsverfahren durchgeführt: ein
erstes Implantationsverfahren, durch welches in dem durch die Maske 60 freigelassenen
Bereich Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps eingebracht werden,
die die spätere
zweite Emitterzone 22 bilden; und ein zweites Implantationsverfahren,
durch welches in dem durch die Maske 60 freigelassenen
Bereich Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps eingebracht werden,
die den späteren
ersten Feldstoppzonenabschnitt 23 bilden. Die Dotierstoffatome
des ersten Leitungstyps für
die Feldstoppzone werden hierbei beispielsweise tiefer implantiert
als die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps für die zweite
Emitterzone. Die Dotierstoffatome des zweiten Implantationsverfahrens
sind beispielsweise übliche
n-Dotierstoffatome, wie z. B. Selen oder Phosphor.
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In
nicht näher
dargestellter Weise wird anschließend die Maske 60 entfernt
und es wird ein Temperaturverfahren durchgeführt, durch welches die implantierten
Dotierstoffatome zum einen aktiviert werden und zum anderen in den
Halbleiterkörper 100 eindiffundieren,
was letztlich zu der in 1 dargestellten Bauelementstruktur
führt.
Nicht dargestellt ist in 1 eine ”Stufe” im Bereich der Rückseite,
die durch das anhand von 5B erläuterte teilweise Abtragen
des Halbleiterkörpers
entsteht.
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Alternativ
besteht bei den anhand von 5C erläuterten
Verfahrensschritten die Möglichkeit,
das erste Implantationsverfahren zum Einbringen der Dotierstoffatome
der zweite Emitterzone 22 durchzuführen, wenn die Maske 60 auf
die Rückseite 102 aufgebracht
ist, die Maske jedoch vor Durchführen
des zweiten Implantationsverfahrens zu entfernen. In diesem Fall
werden die Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps auch in die
Randzone 112 eingebracht und verstärken dort die Dotierung des
zweiten Feldstoppzonenabschnitts 24. Die Dotierstoffdosis des
zweiten Feldstoppzonenabschnitts 24 resultiert in diesem
Fall aus der Implantationsdosis des anhand von 6A erläuterten
Implantationsverfahrens und der Implantationsdosis des anhand von 5C (nach
Entfernen der Maske) erläuterten zweiten
Implantationsverfahrens.
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Das
erläuterte
Grundprinzip, im Bereich der Randzone eines Halbleiterkörpers eines
Leistungshalbleiterbauelements eine erhöhte Feldstoppdotierung vorzusehen,
um die Avalanche-Festigkeit
des Bauelements zu erhöhen,
ist nicht auf Leistungs-IGBT beschränkt, sondern kann beispielsweise
auch bei Leistungsdioden angewendet werden.
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6 veranschaulicht
ein Beispiel einer solchen Leistungsdiode anhand eines vertikalen
Querschnitts durch einen Halbleiterkörper 200 der Diode. Dieser
Halbleiterkörper 200 weist
eine erste Seite 201, die nachfolgend als Vorderseite be zeichnet wird,
eine zweite Seite 202, die nachfolgend als Rückseite
bezeichnet wird und einen Rand 203 auf. Der Halbleiterkörper 200 weist
eine Randzone 212, die in lateraler Richtung an den Rand 203 angrenzt, und
eine sich in lateraler Richtung an die Randzone 212 anschließende Innenzone 211 auf.
Im Bereich der Vorderseite 201 ist ein Randabschluss 250 vorhanden.
Dieser Randabschluss 250 kann entsprechend des zuvor für den Leistungs-IGBT
erläuterten Randabschlusses 50 realisiert
sein, so dass diesbezüglich
auf die zuvor gemachten Ausführungen
verwiesen wird. Für
die Randzone 212 und die Innenzone 211 gelten
die zuvor für
die Randzone 112 und die Innenzone 111 des Leistungs-IGBT
gemachten Ausführungen
entsprechend.
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Die
dargestellte Leistungsdiode ist eine vertikale Leistungsdiode und
besitzt eine erste Emitterzone 227, die komplementär zu der
Basiszone 225 dotiert ist und die sich an die Vorderseite 201 des
Halbleiterkörpers 200 anschließt. In lateraler
Richtung des Halbleiterkörpers 200 endet
diese erste Emitterzone 227 in der Innenzone 211 bzw.
in einem Übergangsbereich
zwischen der Innenzone 211 und der Randzone 212 und
damit beabstandet zu dem Rand 203. Diese erste Emitterzone 227 ist
beispielsweise p-dotiert und bildet in diesem Fall eine Anodenzone der
Diode, die durch eine Anodenelektrode A (schematisch dargestellt)
kontaktiert ist. Die Basiszone 225 ist zwischen der ersten
Emitterzone 227 und einer zweiten Emitterzone 222 angeordnet,
wobei sich die zweite Emitterzone 222 in dem dargestellten
Beispiel an die Rückseite 202 des
Halbleiterkörpers 200 anschließt und dort
durch eine Anschlusselektrode 242 kontaktiert ist. Die
zweite Emitterzone 222 ist vom gleichen Leitungstyp wie
die Basiszone 225, und damit komplementär zu der ersten Emitterzone 227 dotiert.
Bei einer n-dotierten zweiten Emitterzone 222 ist die zweite
Anschlusselektrode 242 eine Kathodenelektrode K der Leistungsdiode.
Die zweite Emitterzone 222 endet in der Innenzone 211 bzw.
in einem Übergangsbereich
zwischen der Innenzone 211 und der Randzone 212,
und damit in lateraler Richtung beabstandet zu dem Rand 203.
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Eine
Dotierungskonzentration der Basiszone 225 liegt beispielsweise
im Bereich von 1012 cm–3 bis 1014 cm–3. Die Dotierungskonzentration
der zweiten Emitterzone 222 ist wesentlich höher als
die der Basiszone 225. Die Dotierstoffdosis der zweiten
Emitterzone 222 liegt beispielsweise im Bereich von 1015 cm–2 bei einer vertikalen
Abmessung zwischen 1 μm und
30 μm was
gleichbedeutend mit einer Dotierungsrandkonzentration zwischen 3,3·1017 cm–3 und 1·1020 cm–3 ist. Die ”Dotierungsrandkonzentration” ist dabei
die Dotierung am Rand des dotierten Gebiets, also dort, wo sie am
höchsten
ist.
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In
der Randzone 212 weist die Leistungsdiode bezugnehmend
auf 7 eine Feldstoppzone 224 auf,
die höher
als die Basiszone 225 jedoch niedriger als die zweite Emitterzone 222 dotiert
ist. Eine Dotierstoffdosis dieser Feldstoppzone 224 liegt
beispielsweise im Bereich zwischen 2·1012 cm–2 und
1013 cm–2,
und insbesondere zwischen 3·1012 cm–2 und 6·1012 cm–2, bei in etwa gleichen
vertikalen Abmessungen wie die Emitterzone 222. Insbesondere
kann die Dotierstoffdosis so hoch sein, dass nicht nur ein statisches
sondern auch ein dynamisches Durchgreifen der Raumladungszone verhindert
wird. Die Dosis liegt in diesem Fall dabei über der Durchbruchsladung,
die für
Silizium etwa 1,5·1012 cm–2 beträgt
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Die
dargestellte Leistungsdiode sperrt, wenn der pn-Übergang zwischen der ersten
Emitterzone 227 und der Basiszone 225 in Sperrrichtung
gepolt ist. Entsprechend des zuvor für den Leistungs-IGBT erläuterten
zweiten Feldstoppzonenabschnitts 24 bewirkt die Feldstoppzone 224 der
Leistungsdiode, dass bei Auftreten eines Avalanche-Durchbruchs die Raumladungszone
nicht oder zumindest nicht bereits bei sehr kleinen Avalanche-Strömen bis
an die Rückseite 202 durchgreifen
kann. Eine hohe dynamische Robustheit dieses Bauelements wird dadurch
erreicht, dass die zweite Emitterzone 222 in lateraler Rich tung
nicht bis in die Randzone 212 reicht bzw. in lateraler
Richtung noch vor dem Rand 203 endet.
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Ein
mögliches
Verfahren zur Herstellung der zweiten Emitterzone 222 und
der Feldstoppzone 224 für
die anhand von 6 erläuterte Leistungsdiode wird
nachfolgend anhand von 7 erläutert. Dieses Verfahren
entspricht dem bereits anhand der 6A bis 6C erläuterten
Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone mit zwei unterschiedlich
dotierten Feldstoppzonenabschnitten. Bezug nehmend auf 7A wird
bei diesem Verfahren zunächst
eine ganzflächige
Implantation von Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps durchgeführt, die
die spätere Feldstoppzone 224 bilden. 224' bezeichnet
in 7A einen Bereich des Halbleiterkörpers 200,
in den diese Dotierstoffatome implantiert werden.
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Bezug
nehmend auf 7B wird anschließend eine
Maske 60 auf die Rückseite 202 aufgebracht,
die den Bereich der Rückseite 202 freilässt, in dem
später
die zweite Emitterzone 222 erzeugt wird. Die zuvor implantierten
Dotierstoffatome können nach
Herstellen der Maske teilweise entfernt werden (nicht dargestellt).
Da diese Dotierstoffatome allerdings vom selben Leitungstyp sind
wie die Dotierstoffatome der zweiten Emitterzone 222, können diese
bereits eingebrachten Dotierstoffatome nach Herstellen der Maske 60 auch
verbleiben.
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Bezugnehmend
auf 7C werden anschließend unter Verwendung der Maske 60 weitere Dotierstoffatome
des ersten Leitungstyps implantiert, die die spätere zweite Emitterzone 222 bilden. 222 – bezeichnet
in 7C einen Bereich des Halbleiterkörpers, in
den die diese Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps implantiert
werden. Die Implantationsdosis des anhand von 7A erläuterten
Implantationsverfahrens zur Herstellung der Feldstoppzone 224 ist
dabei geringer als die Implantationsdosis des anhand von 7C erläuterten
Verfahrens, da für
die Feldstoppzone 224 eine niedrigere Dotierung als für die Emitterzone
erreicht werden soll. Verbleiben die im ersten Implantationsverfahren
eingebrachten Dotierstoffatome vollständig in dem Halbleiterkörper, so setzt
sich die Dotierung der Emitterzone 222 aus den durch die
beiden Implantationsverfahren eingebrachten Dotierstoffatome zusammen.
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In
nicht näher
dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, das Verfahren gemäß der 8A bis 8C so
abzuwandeln, dass zunächst
die Dotierstoffatome implantiert werden, die die zweite Emitterzone
bilden, wobei die Maske in diesem Fall so hergestellt wird, dass
sie die Abschnitte der Rückseite 202 bedeckt,
in denen die Feldstoppzone hergestellt werden soll. Die Dotierstoffatome
zur Herstellung der Feldstoppzone werden in diesem Fall nach Entfernen
der Maske implantiert, wobei in diesem Fall die Dotierstoffatome
ganzflächig über die
Rückseite 202 an
den Halbleiterkörper
implantiert werden. Die Feldstoppzone 24 resultiert bei
diesem Verfahren aus dem zweiten Implantationsverfahren, während die
zweite Emitterzone bei diesem Verfahren aus beiden Implantationsverfahren
resultiert.
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Entsprechend
der Ausführungen
zu dem Leistungs-IGBT sind die Dotierstoffatome der Feldstoppzone 24 insbesondere
Dotierstoffatome mit niedrig liegenden Energieniveaus, wie z. B.
Selen oder Schwefel.
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Abschließend sei
darauf hingewiesen, dass Verfahrens- oder Schaltungsmerkmale, die
nur im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurden, auch dann mit
Verfahrens- oder Schaltungsmerkmalen 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.