DE102009031316A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements - Google Patents

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Abstract

Ein Halbleiterbauelement besitzt einen Halbleiterkörper und einen Zellbereich mit einer Halbleiterbauelementstruktur. Dabei besitzt die Halbleiterbauelementstruktur eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine Gateelektrode. Die Gateelektrode ist zum Ausbilden eines leitenden Kanalbereichs ausgebildet. Eine Isolationsschicht umgibt die Gateelektrode zumindest teilweise. Eine semiisolierende Schicht ist zwischen der Gateelektrode und zumindest einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet. Die semiisolierende Schicht ist dabei außerhalb des leitenden Kanalbereichs angeordnet und besitzt eine Grenzflächenzustandsdichte, die größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers ist.

Description

  • Hintergrund
  • Bedingt durch ihren Aufbau besitzen Gate-gesteuerte Halbleiterbauelemente parasitäre Kapazitäten, die vor allem bei sehr schnellen Schaltvorgängen die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiterbauelements begrenzen. Außerdem werden durch diese die Schaltverluste des Halbleiterbauelements wesentlich mitbestimmt, denn die parasitären Kapazitäten müssen bei jedem Schaltvorgang zusätzlich zu der Gate-Kapazität mit umgeladen werden. Ohne den Einfluss der parasitären Kapazitäten würde die Schaltzeit des Halbleiterbauelements durch die Transitzeit der Ladungsträger durch den Gate-induzierten Leitungskanal bestimmt sein und die Transitfrequenz im Bereich von 10 GHz liegen. Bei einem realen Halbleiterbauelement wird die Grenzfrequenz durch die parasitären Kapazitäten hingegen auf Werte im Bereich von 10 MHz reduziert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements anzugeben, die die genannten Nachteile des Standes der Technik überwinden.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • In einer Ausführungsform beinhaltet ein Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper und einen Zellbereich mit einer Halbleiterbauelementstruktur, wobei die Halbleiterbauelementstruktur eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode sowie eine Gateelektrode, welche zum Ausbilden eines leitenden Kanalbereichs ausgebildet ist, umfasst. Eine Isolationsschicht umgibt die Gateelektrode zumindest teilweise. Zudem beinhaltet die Halbleiterbauelementstruktur eine semiisolierende Schicht zwischen der Gateelektrode und zumindest einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Die semiisolierende Schicht ist außerhalb des leitenden Kanalbereichs angeordnet und weist eine Grenzflächenzustandsdichte auf, die größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers ist.
  • Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die einzelnen Elemente der Figuren müssen nicht notwendigerweise maßstäblich zueinander sein. Komponenten mit ähnlichen Funktionen werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Kurze Figurenbeschreibung
  • 1A und 1B zeigen schematische Querschnitte durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements;
  • 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1A und 1B zeigen einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 10. In dieser Ausführungsform beinhaltet das Halbleiterbauelement 10 einen Halbleiterkörper 11 mit einer ersten Oberfläche 34, die in der gezeigten Ausführungsform eine vorderseitige Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 darstellt, sowie einer der ersten Oberfläche 34 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 35, die in der gezeigten Ausführungsform eine rückseitige Oberfläche des Halbleiterkörpers 11 bildet. Ein Zellbereich 12 besitzt eine Halbleiterbauelementstruktur. Die Halbleiterbauelementstruktur beinhaltet eine erste Elektrode 13, eine zweite Elektrode 14 sowie eine Gateelektrode 15. Die Gatee lektrode 15 ist dabei zum Ausbilden eines leitenden Kanalbereichs 16, welcher durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, ausgebildet. Das Halbleiterbauelement 10 kann durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Gateelektrode 15 und dem damit verbundenen Ausbilden des leitenden Kanalbereichs 16 von einem sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand geschaltet werden. Die Gateelektrode 15 beinhaltet dazu ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein Metall oder Polysilizium. Die erste Elektrode 13 ist auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 angeordnet und beinhaltet ein elektrisch leitendes Material, typischerweise ein Metall. In Richtung auf die erste Oberfläche 34 hin schließt sich an die erste Elektrode 13 eine Isolationsschicht 26 an, welche die erste Elektrode 13 von der Gateelektrode 15 elektrisch isoliert. Die Isolationsschicht 26 kann beispielsweise ein Oxid beinhalten. Die zweite Elektrode 14 ist auf der zweiten Oberfläche 35 des Halbleiterkörpers 11 angeordnet und beinhaltet ein elektrisch leitfähiges Material, typischerweise ein Metall. Die Gateelektrode 15 ist in der gezeigten Ausführungsform als Trenchgate-Elektrode ausgestaltet. Dazu ist in dem Zellbereich 12 mindestens ein Graben 37 angeordnet. Die Grabenwände und der Grabenboden sind von einer Isolationsschicht 17 bedeckt. Die Isolationsschicht 17 kann beispielsweise ein Oxid beinhalten. Auf der Isolationsschicht 17 ist die Gateelektrode 15 angeordnet. Die Isolationsschicht 17 umgibt die Gateelektrode 15 damit zumindest teilweise. Zudem beinhaltet das Halbleiterbauelement 10 eine semiisolierende Schicht 18. Die semiisolierende Schicht 18 ist zwischen der Gateelektrode 15 und der zweiten Elektrode 14 außerhalb des leitenden Kanalbereichs 16 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform ist die semiisolierende Schicht 18 unmittelbar auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 angeordnet. Dabei weist die semiisolierende Schicht 18 eine Grenzflächenzustandsdichte auf, die größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers 11 ist.
  • In der gezeigten Ausführungsform besitzt das Halbleiterbauelement 10 eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal IGBT (insulated gate bipolar transistor). Dazu ist in einem oberflächennahen Bereich der ersten Oberfläche 34 ein n+-dotierter Bereich 24 angeordnet, der einen Emitterbereich bildet. An den n+-dotierten Bereich 24 schließt sich in vertikaler Richtung auf die zweite Oberfläche 35 hin eine p-dotierte Bodyzone 27 an. Die erste Elektrode 13 kontaktiert sowohl die Bodyzone 27 als auch den Emitterbereich elektrisch.
  • An die Bodyzone 27 schließt sich in vertikaler Richtung auf die zweite Oberfläche 35 hin eine n-dotierte Driftzone 29 an. In einem oberflächennahen Bereich der zweiten Oberfläche 35 befindet sich eine p+-dotierte Schicht 25, welche einen Kollektorbereich bildet. Die elektrische Kontaktierung des Kollektorbereichs erfolgt über die zweite Elektrode 14.
  • Die p+-dotierte Schicht 25 dient als Quelle für p-Ladungsträger und sorgt so für das bipolare Verhalten des Halbleiterbauelements 10. Floatende, p-dotierte Bereiche 28, welche jeweils zwischen zwei benachbarten Gräben 37 außerhalb der Bodyzone 27 und der Driftzone 29 angeordnet sind, bewirken dabei einen Aufstaueffekt für die p-Ladungsträger vor dem Abfließen über die p-dotierte Bodyzone 27 und damit ein verbessertes Verhalten des Halbleiterbauelements 10 im leitenden Zustand, ohne dabei die Latch-Up-Festigkeit zu beeinträchtigen.
  • Die semiisolierende Schicht 18, die zwischen der zweiten Elektrode 14 und der Gateelektrode 15 angeordnet ist, bewirkt eine Verringerung der Gate-Kollektor-Kapazität, welche auch als Miller-Kapazität bezeichnet wird, und dadurch ein verbessertes Schaltverhalten des Halbleiterbauelements 10 durch einen schnelleren Schaltvorgang sowie geringere Schaltverluste. Aufgrund der hohen Abschirmfähigkeit der semiisolierenden Schicht 18 werden Bildladungen aufgebaut, die den Durchgriff des Kollektorpotentials zu der Gateelektrode 15 verhindern. Durch das Vorsehen der semiisolierenden Schicht 18 kann bei hochspannungsfesten Halbleiterbauelementen eine dicke Isolationsschicht zwischen den floatenden Bereichen 28 und der Gateelektrode 15 vermieden werden.
  • Die semiisolierende Schicht 18 kann dabei ein Material mit einer Bandlücke, die größer als die Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers 11 ist, beinhalten.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist die semiisolierende Schicht 18 benachbart zu der Isolationsschicht 17 angeordnet. Dadurch wird ein Stromfluss zwischen dem Halbleiterkörper 11 und der Gateelektrode 15 über die semiisolierende Schicht 18, welche beispielsweise einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1012 Ωcm besitzt, vermieden.
  • Die semiisolierende Schicht 18 beinhaltet beispielsweise ein amorphes Material, typischerweise amorphen Kohlenstoff. Es kann auch vorgesehen sein, dass die semiisolierende Schicht 18 wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff beinhaltet, wobei es darüber hinaus möglich ist, dass der wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoff mit Silizium dotiert ist. Die semiisolierende Schicht 18 kann als Material in einer weiteren Ausführungsform amorphes Silizium beinhalten. Ebenfalls ist es mög lich, als Material für die semiisolierende Schicht 18 amorphes Siliziumcarbid vorzusehen. Die semiisolierende Schicht 18 kann darüber hinaus semiisolierendes Polysilizium (semiinsulating polysilicon, SIPOS) beinhalten.
  • Typischerweise ist als Material des Halbleiterkörpers 11 Silizium vorgesehen. Es kann darüber hinaus auch Siliziumcarbid vorgesehen sein oder ein Material aus einem III/V-Halbleiter, beispielsweise GaAs.
  • In der gezeigten Ausführungsform beinhaltet das Halbleiterbauelement 10 zusätzlich zu dem Zellbereich 12 einen daran angrenzenden Randbereich 20, der den Zellbereich 12 einfasst und bis an den Rand des Halbleiterkörpers 11 reicht. Der Zellbereich 12 wird dabei auch als aktiver Zellbereich und der Randbereich 20 als inaktiver Randbereich bezeichnet. In dem den Zellbereich 12 umgebenden Randbereich 20 kann dabei zumindest eine variabel lateral dotierte Dotierstoffzone (VLD-Zone) 21 angeordnet sein. Diese besitzt eine p-Dotierung, welche lateral in Richtung auf den Rand des Halbleiterkörpers 11 auf die Dotierstoffkonzentration der Driftzone 29 abfällt. Dadurch wird die elektrische Feldstärke bei sperrendem Zustand des Halbleiterbauelements 10 in dem Randbereich 20, in welchem ein pn-Übergang der Halbleiterbauelementstruktur an die erste Oberfläche 34 tritt, dergestalt abgebaut, dass es zu einer moderaten Feldverteilung kommt und ein verfrühtes Durchbrechen des Halbleiterbauelements 10 unter Sperrbelastung vermieden wird.
  • In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist in dem Randbereich 20 des Halbleiterbauelements 10 zumindest ein Guardring oder zumindest eine Feldplatte angeordnet. Ferner können auch Kombinationen aus VLD-Zone 21, Guardring und Feldplatte für den Randbereich 20 vorgesehen sein.
  • Des Weiteren kann der Randbereich 20 einen Kanalstopper 36 beinhalten. Der Kanalstopper 36 dient zur Begrenzung der Raumladungszone am äußeren Rand des Halbleiterbauelements 10 bei sperrend gepoltem pn-Übergang. Der Kanalstopper 36 beinhaltet dazu in einem oberflächennahen Bereich der ersten Oberfläche 34 einen p+-dotierten Bereich 31 sowie einen n+-dotierten Bereich 32, der vollständig innerhalb des p+-dotierten Bereichs 31 angeordnet ist, wodurch der äußerste Rand des Halbleiterbauelements 10 auf Kollektorpotential gelegt werden kann.
  • Darüber hinaus ist ein p-dotierter Bereich 23 in einem oberflächennahen Bereich der ersten Oberfläche 34 als Abschlussbereich der Emitterregion angeordnet.
  • In dem Randbereich 20 kann das Halbleiterbauelement 10 eine semiisolierende Schicht 30 aufweisen, wobei die semiisolierende Schicht 30 dabei auf der VLD-Zone 21 und zumindest teilweise auf dem p-dotierten Bereich 23 sowie dem Kanalstopper 36 angeordnet ist. Die semiisolierende Schicht 30 dient dabei als Passivierungsschicht zum Schutz der ersten Oberfläche 34 in dem Randbereich 20 vor Fremdladungen, welche das Sperrverhalten des Halbleiterbauelements 10 negativ beeinflussen können. Typischerweise ist für das Material der semiisolierenden Schicht 30 das gleiche Material vorgesehen, das auch die semiisolierende Schicht 18 beinhaltet.
  • Neben der gezeigten Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal IGBT besitzt das Halbleiterbauelement 10 in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Halbleiterbau elementstruktur für zumindest einen p-Kanal IGBT. Dabei ist die Dotierung der einzelnen Bereiche des p-Kanal IGBTs jeweils komplementär zu der Dotierung der entsprechenden Bereiche des n-Kanal IGBTs.
  • Das Halbleiterbauelement 10 kann sowohl bei einer Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal IGBT als auch für zumindest einen p-Kanal IGBT ein Leistungs-Halbleiterbauelement sein.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 10 mit einem Halbleiterkörper 11 beinhaltet folgende Verfahrensschritte. Zunächst wird eine Halbleiterbauelementstruktur mit einer ersten Elektrode 13, einer zweiten Elektrode 14 und einer Gateelektrode 15 in einem Zellbereich 12 hergestellt. Dabei wird die Gateelektrode 15 zumindest teilweise von einer Isolationsschicht 17 umgeben. Eine semiisolierende Schicht 18 wird zwischen der Gateelektrode 15 und der zweiten Elektrode 14 außerhalb eines leitenden Kanalbereichs 16 der Gateelektrode 15 hergestellt, beispielsweise direkt auf einer ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11. Dabei wird für die semiisolierende Schicht 18 ein Material verwendet, dessen Grenzflächenzustandsdichte größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers 11 ist.
  • Die semiisolierende Schicht 18 kann dabei durch eine CVD-Abscheidung (Chemical Vapor Deposition) hergestellt werden. Besonders geeignet ist die plasmagestützte CVD-Abscheidung (plasma enhanced CVD). Als Material für die semiisolierende Schicht 18 können dabei die bereits weiter oben genannten Materialien verwendet werden. Zur Herstellung einer semiisolierenden Schicht 18 aus wasserstoffhaltigem amorphen Kohlen stoff, welcher dabei entweder undotiert oder auch Silizium dotiert sein kann, können Precursor-Gase wie beispielsweise Silan oder Methan verwendet werden. Diese ermöglichen das Einstellen einer sehr hohen Grenzflächenzustandsdichte der semiisolierenden Schicht 18. Der Einbau von Wasserstoff führt zu einer Absättigung freier Valenzen. Außerdem lässt sich durch die relativen Gasflüsse von beispielsweise Methan und Silan jedes Mischungsverhältnis zwischen Silizium und Kohlenstoff in einer Silizium dotierten, wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff aufweisenden semiisolierenden Schicht 18 einstellen. Die Dotierung mit Silizium unterstützt dabei den Stressabbau und erhöht zudem die Dichte und den optischen Bandabstand des Materials. Mit zunehmendem Silizium-Einbau verringert sich außerdem die spezifische Leitfähigkeit des Materials.
  • Die semiisolierende Schicht 18 kann darüber hinaus in einer weiteren Ausführungsform durch eine PVD-Abscheidung (Physical Vapor Deposition) wie beispielsweise Aufdampfen, Sputtern, Ionenstrahlabscheidung oder Laserablation hergestellt werden.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt kann es vorgesehen sein, in einem den Zellbereich 12 umgebenden Randbereich 20 eine Randstruktur herzustellen. Als Randstruktur können die bereits weiter oben genannten Strukturen, beispielsweise eine VLD-Zone 21 und ein Kanalstopper 36, vorgesehen werden.
  • 2 bis 11 zeigen schematische Querschnitte durch Teilbereiche weiterer Halbleiterbauelemente. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht extra erörtert.
  • Die oben genannten Schalteigenschaften des Halbleiterbauelements 10, die durch die semiisolierende Schicht 18 bereitgestellt werden, werden auch von den Halbleiterbauelementen der folgenden Ausführungsformen gezeigt und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals aufgeführt.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 50.
  • In 2 ist dabei ein Teilbereich eines Zellbereichs 12 des Halbleiterbauelements 50 gezeigt. Das Halbleiterbauelement 50 kann darüber hinaus einen den Zellbereich 12 umgebenden Randbereich beinhalten, der dabei analog zu dem Randbereich 20 des in 1 gezeigten Halbleiterbauelements 10 ausgeführt sein kann.
  • Das Halbleiterbauelement 50 beinhaltet neben einer ersten semiisolierenden Schicht 18 eine weitere semiisolierende Schicht 22, wobei die weitere semiisolierende Schicht 22 zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13, welche in der gezeigten Ausführungsform eine Emitter-Elektrode bildet, angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die semiisolierende Schicht 22 benachbart zu der ersten Elektrode 13 und einer Isolationsschicht 26 angeordnet.
  • Das Halbleiterbauelement 50 unterscheidet sich somit von dem Halbleiterbauelement 10 dadurch, dass sowohl zwischen der Gateelektrode 15 und der zweiten Elektrode 14 als auch zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13 jeweils eine semiisolierende Schicht 18 bzw. 22 außerhalb des leitenden Kanalbereichs 16 angeordnet ist.
  • Die weitere semiisolierende Schicht 22 verringert die Emitter-Gate-Kapazität, was zu einer weiteren Herabsetzung der Schaltzeit des Halbleiterbauelements 50 sowie geringeren Schaltverlusten führt.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 60.
  • In dieser Ausführungsform besitzt das Halbleiterbauelement 60 eine erste semiisolierende Schicht 18 sowie eine zweite semiisolierende Schicht 22. Der Unterschied zu den in den vorhergehenden Figuren gezeigten Halbleiterbauelementen 10 bzw. 50 besteht darin, dass die erste semiisolierende Schicht 18 sowohl auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 als auch teilweise in dem Graben 37 angeordnet ist. Dabei ist die semiisolierende Schicht 18 dergestalt angeordnet, dass sie auch weiterhin außerhalb des leitenden Kanalbereichs 16 liegt.
  • Durch die Weiterführung der semiisolierenden Schicht 18 in den Graben 37 bis nahe an den Rand des leitenden Kanalbereichs 16 wird die Abschirmung der Gateelektrode 15 durch die semiisolierende Schicht 18 zusätzlich erhöht.
  • In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Halbleiterbauelement 60 in dem Zellbereich 12 nur die erste semiisolierende Schicht 18 beinhalten.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 70.
  • In dieser Ausführungsform besitzt das Halbleiterbauelement 70 eine streifenförmige semiisolierende Schicht 18, die zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die semiisolierende Schicht 18 direkt auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 und benachbart zu der Isolationsschicht 26 angeordnet. Die Verwendung eines streifenförmigen Designs für die semiisolierende Schicht 18 ermöglicht dabei eine einfache Anordnung dieser Schicht innerhalb des Halbleiterbauelements 70.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 80.
  • Das in 5 gezeigte Halbleiterbauelement 80 unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten Halbleiterbauelement 70 dadurch, dass die semiisolierende Schicht 18 sowohl auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 als auch teilweise in dem Graben 37 angeordnet ist.
  • Dies ermöglicht die bereits im Zusammenhang mit dem in 3 gezeigten Halbleiterbauelement 60 erläuterte Ausnutzung der Abschirmwirkung der semiisolierenden Schicht 18 im Bereich des Grabens 37.
  • Für die Materialien der einzelnen Komponenten der in den 2 bis 5 gezeigten Halbleiterbauelemente 50 bis 80, beispielsweise dem Material der semiisolierenden Schichten 18 bzw. 22, können dabei die gleichen Materialien vorgesehen werden, die bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem in 1 gezeigten Halbleiterbauelement 10 beschrieben wurden.
  • 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 90.
  • Das Halbleiterbauelement 90 besitzt eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal MOSFET. Dazu hat das Halbleiterbauelement 90 eine erste Elektrode 13 als Source-Elektrode sowie eine zweite Elektrode 14 als Drain-Elektrode und eine Gateelektrode 15. Die Gateelektrode 15 ist in der gezeigten Ausführungsform als Trenchgate-Elektrode ausgeführt. Zudem beinhaltet das Halbleiterbauelement 90 in einem oberflächennahen Bereich der ersten Oberfläche 34 einen n+-dotierten Bereich 24 als Source-Bereich und in einem oberflächennahen Bereich der zweiten Oberfläche 35 eine n+-dotierte Schicht 25 als Drain-Bereich.
  • Ein teilweise zwischen der ersten Elektrode 13 und einer Bodyzone 27 angeordneter p+-dotierter Bereich 33 dient zur Verminderung des Kontaktwiderstands zwischen der ersten Elektrode 13 und der Bodyzone 27.
  • In einem oberflächennahen Bereich der ersten Oberfläche 34 ist die Gateelektrode 15 zum Ausbilden eines leitenden Kanalbereichs 16 ausgebildet. In diesem Bereich besitzt eine Isolationsschicht 17 eine Dicke, die im Vergleich zu der Dicke der Isolationsschicht 17 in den übrigen Bereichen vermindert ist. Besteht die Isolationsschicht 17 aus einem Oxid, so wird dieser Bereich der Isolationsschicht 17 auch als Gateoxid bezeichnet. Das Halbleiterbauelement 90 kann durch Anlegen einer positiven Spannung an die Gateelektrode 15 und dem damit verbundenen Ausbilden eines n-leitenden Kanalbereichs 16 in einem benachbart zu der Gateelektrode 15 angeordneten Randbereich einer Bodyzone 27 von einem sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand geschaltet werden. Die Gateelektrode 15 beinhaltet dazu ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise ein Metall oder Polysilizium.
  • In einem bezogen auf die erste Oberfläche 34 vertikal tiefer liegenden Bereich besitzt die Gateelektrode 15 eine verringerte Breite. In diesem Bereich bildet die Gateelektrode 15 eine Feldplatte und gewährleistet dadurch das laterale Ausräumen der Driftzone 29 im Sperrfall des Halbleiterbauelements 90. Der laterale Spannungsabfall erfolgt dabei über die im Bereich des Bodens des Grabens 37 angeordnete Isolationsschicht 17, welche dazu eine im Vergleich zu der Dicke der Isolationsschicht 17 im Bereich des leitenden Kanalbereichs 16 erhöhte Dicke besitzt. Die Isolationsschicht 17 wird für den Fall, dass sie aus einem Oxid besteht in diesem Bereich auch als Feldoxid bezeichnet.
  • Eine semiisolierende Schicht 18 ist im Bereich der Wand des Grabens 37 außerhalb des leitenden Kanalbereichs 16 angeordnet. Die semiisolierende Schicht 18 bewirkt eine Verringerung der Gate-Drain-Kapazität und damit ein verbessertes Schaltverhalten des Halbleiterbauelements 90 hinsichtlich Schaltzeit und Schaltverlusten. Dadurch kann eine einzelne Elektrode bereitgestellt werden statt einer Teilung der Gateelektrode 15 in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich, wobei letztgenannter als eine Feldplatte dient.
  • 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 100.
  • Das in dieser Ausführungsform gezeigten Halbleiterbauelement 100 besitzt wie das in 6 gezeigte Halbleiterbauelement 90 eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal MOSFET. Das Halbleiterbauelement 100 beinhaltet dabei neben der semiisolierenden Schicht 18 eine weitere semiisolierenden Schicht 22, die zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13, welche in der gezeigten Ausführungs form eine Source-Elektrode bildet, angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die semiisolierende Schicht 22 benachbart zu der ersten Elektrode 13 und zu einem Bereich der Isolationsschicht 17 angeordnet, der in vertikaler Richtung bezogen auf die erste Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 oberhalb des Bereichs der Isolationsschicht 17, der als Gateoxid ausgebildet ist, angeordnet ist. Dieser Bereich der Isolationsschicht 17 wird auch als Zwischenoxid bezeichnet für den Fall, dass die Isolationsschicht 17 aus einem Oxid besteht. Die semiisolierende Schicht 22 bewirkt eine Verringerung der Gate-Source-Kapazität und trägt damit zu einem verbesserten Schaltverhalten des Halbleiterbauelements 100 bei.
  • Neben der in den 6 und 7 gezeigten Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal MOSFET besitzt das Halbleiterbauelement in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen p-Kanal MOSFET. Dabei ist die Dotierung der einzelnen Bereiche des p-Kanal MOSFETs jeweils komplementär zu der Dotierung der entsprechenden Bereiche des n-Kanal MOSFETs.
  • Die in den 3 bis 7 gezeigten Halbleiterbauelemente können zudem einen den Zellbereich 12 umgebenden Randbereich 20 beinhalten, in dem die bereits im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement 10 erwähnten Randstrukturen angeordnet sein können.
  • 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 110.
  • Das in 8 gezeigte Halbleiterbauelement 110 besitzt eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal MOS FET. Es unterscheidet sich von den in den 1 bis 7 gezeigten Halbleiterbauelementen dahingehend, dass die Gateelektrode 15 lateral auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 angeordnet ist. Das Halbleiterbauelement 110 besitzt dadurch eine planare Zellstruktur.
  • Die Gateelektrode 15 ist von einer Isolationsschicht 17 zumindest teilweise umgeben. Die Isolationsschicht 17 isoliert die Gateelektrode 15 elektrisch von der ersten Elektrode 13 sowie dem Halbleiterkörper 11.
  • Eine semiisolierende Schicht 18 ist zwischen der Gateelektrode 15 und der zweiten Elektrode 14 außerhalb eines leitenden Kanalbereichs 16 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform ist die semiisolierende Schicht 18 direkt auf der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 und der Isolationsschicht 17 angeordnet. Die semiisolierende Schicht 18 bewirkt eine Verringerung der Gate-Drain-Kapazität und führt somit zu einem verbesserten Schaltverhalten des Halbleiterbauelements 110, wie dies bereits für die in den 1 bis 7 gezeigten Halbleiterbauelemente mit Trenchgate-Struktur erläutert wurde.
  • Das Halbleiterbauelement 110 kann zudem einen den Zellbereich 12 umgebenden Randbereich 20 beinhalten, in dem in der gezeigten Ausführungsform eine VLD-Zone 21 sowie ein Kanalstopper 36 angeordnet sind. In dem Randbereich 20 können darüber hinaus auch die bereits im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement 10 erwähnten anderen Randstrukturen angeordnet sein.
  • Neben der gezeigten Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal MOSFET besitzt das Halbleiterbauelement 110 in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen p-Kanal MOSFET. Dabei ist die Dotierung der einzelnen Bereiche des p-Kanal MOSFETs jeweils komplementär zu der Dotierung der entsprechenden Bereiche des n-Kanal MOSFETs.
  • 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 120.
  • Das Halbleiterbauelement 120 unterscheidet sich von dem in 8 gezeigten Halbleiterbauelement 110 dadurch, dass es eine Halbleiterbauelementstruktur für einen n-Kanal IGBT besitzt. Dazu ist in einem oberflächennahen Bereich der zweiten Oberfläche 35 eine p+-dotierte Schicht 25 angeordnet. Hinsichtlich des Schaltverhaltens ähnelt das Halbleiterbauelement 120 dem Halbleiterbauelement 110, weshalb dieses zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle nicht nochmals erläutert wird.
  • Neben der gezeigten Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen n-Kanal IGBT besitzt das Halbleiterbauelement 120 in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen p-Kanal IGBT. Dabei ist die Dotierung der einzelnen Bereiche des p-Kanal IGBTs jeweils komplementär zu der Dotierung der entsprechenden Bereiche des n-Kanal IGBTs.
  • 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 130.
  • Das Halbleiterbauelement 130 unterscheidet sich von dem in 8 gezeigten Halbleiterbauelement 110 dadurch, dass neben der semiisolierenden Schicht 18 eine zweite semiisolie rende Schicht 22 zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die zweite semiisolierende Schicht 22 benachbart zu der ersten Elektrode 13 und der Isolationsschicht 17 angeordnet und bewirkt eine Verringerung der Source-Gate-Kapazität und damit ein verbessertes Schaltverhalten des Halbleiterbauelements 130.
  • In einer nicht gezeigten Ausführungsform besitzt das Halbleiterbauelement 130 eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen IGBT, der sowohl als n-Kanal IGBT als auch als p-Kanal IGBT ausgeführt sein kann.
  • 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich eines Halbleiterbauelements 140.
  • Das Halbleiterbauelement 140 unterscheidet sich von den in den 8 und 10 gezeigten Halbleiterbauelementen 110 bzw. 130 dadurch, dass die Gateelektrode 15 in lateraler Richtung streifenförmig angeordnet ist und neben einer ersten Isolationsschicht 17, welche zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 angeordnet ist, eine weitere Isolationsschicht 26 vorhanden ist, die sich zwischen der ersten Elektrode 13 und der Gateelektrode 15 befindet.
  • Zwischen der zweiten Isolationsschicht 26 und der Gateelektrode 15 bzw. der ersten Oberfläche 34 des Halbleiterkörpers 11 ist in der gezeigten Ausführungsform eine semiisolierende Schicht 18 vorhanden.
  • Aufgrund der Anordnung der semiisolierenden Schicht 18 sowohl zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13 als auch zwischen der Gateelektrode 15 und dem Halbleiterkörper 11 bewirkt die semiisolierende Schicht 18 eine Verringerung der Gate-Source-Kapazität sowie der Gate-Drain-Kapazität. Die Verwendung einer streifenförmigen Anordnung der einzelnen Zellbereiche 12 ermöglicht einen vereinfachten Aufbau des Halbleiterbauelements 140.
  • Neben den in den 10 und 11 gezeigten Halbleiterbauelementstrukturen für zumindest einen n-Kanal MOSFET besitzt das Halbleiterbauelement in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen p-Kanal MOSFET. Dabei ist die Dotierung der einzelnen Bereiche des p-Kanal MOSFETs jeweils komplementär zu der Dotierung der entsprechenden Bereiche des n-Kanal MOSFETs.
  • In einer nicht gezeigten Ausführungsform besitzt das Halbleiterbauelement 140 eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen IGBT, der sowohl als n-Kanal IGBT als auch als p-Kanal IGBT ausgeführt sein kann.
  • Die Materialien der einzelnen Komponenten der in den 8 bis 11 gezeigten Halbleiterbauelemente 110 bis 140 können den Materialien der entsprechenden Komponenten der in den 1 bis 7 gezeigten Halbleiterbauelemente entsprechen.
  • Darüber hinaus können die in den 9 bis 11 gezeigten Halbleiterbauelemente 120 bis 140 einen den Zellbereich 12 umgebenden Randbereich 20 beinhalten, in dem die bereits im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement 10 erwähnten Randstrukturen angeordnet sein können.
  • Die in den 2 bis 11 gezeigten Halbleiterbauelemente können beispielsweise Leistungs-Halbleiterbauelemente sein.
  • Des weiteren können die in den 2 bis 11 gezeigten Halbleiterbauelemente analog zu dem für das Halbleiterbauelement 10 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, wobei bei den Ausführungsformen der Halbleiterbauelementstruktur mit einer zweiten semiisolierenden Schicht 22 diese zwischen der Gateelektrode 15 und der ersten Elektrode 13 außerhalb des leitenden Kanalbereichs 16 der Gateelektrode 15 hergestellt wird, beispielsweise benachbart zu der ersten Elektrode 13 und einer Isolationsschicht. Dabei wird für die semiisolierende Schicht 22 ein Material verwendet, dessen Grenzflächenzustandsdichte größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers 11 ist. Typischerweise wird für die semiisolierende Schicht 22 das gleiche Material wie für die semiisolierende Schicht 18 verwendet.

Claims (25)

  1. Halbleiterbauelement aufweisend: – einen Halbleiterkörper, – einen Zellbereich mit einer Halbleiterbauelementstruktur, aufweisend: • eine erste Elektrode, • eine zweite Elektrode, • eine Gateelektrode, wobei die Gateelektrode zum Ausbilden eines leitenden Kanalbereichs ausgebildet ist, • eine Isolationsschicht, wobei die Isolationsschicht die Gateelektrode zumindest teilweise umgibt, • eine semiisolierende Schicht zwischen der Gateelektrode und zumindest einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei die semiisolierende Schicht außerhalb des leitenden Kanalbereichs angeordnet ist und eine Grenzflächenzustandsdichte aufweist, die größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die semiisolierende Schicht ein Material mit einer Bandlücke aufweist, die größer als die Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die semiisolierende Schicht benachbart zu der Isolationsschicht angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material des Halbleiterkörpers Silizium aufweist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die semiisolierende Schicht ein amorphes Material aufweist.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die semiisolierende Schicht amorphen Kohlenstoff aufweist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die semiisolierende Schicht wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff aufweist.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die semiisolierende Schicht Silizium dotierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoff aufweist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die semiisolierende Schicht amorphes Silizium aufweist.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die semiisolierende Schicht amorphes Siliziumcarbid aufweist.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die semiisolierende Schicht semiisolierendes Polysilizium aufweist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht ein Oxid aufweist.
  13. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gateelektrode eine Trenchgate-Elektrode ist.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Zellbereich zumindest eine Feldplatte angeordnet ist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement ein Leistungs-Halbleiterbauelement ist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem den Zellbereich umgebenden Randbereich zumindest eine variabel lateral dotierte Dotierstoffzone (VLD-Zone) angeordnet ist.
  17. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem den Zellbereich umgebenden Randbereich zumindest ein Guardring angeordnet ist.
  18. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem den Zellbereich umgebenden Randbereich zumindest eine Feldplatte angeordnet ist.
  19. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem den Zellbereich umgebenden Randbereich ein Kanalstopper angeordnet ist.
  20. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zellbereich eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen MOSFET aufweist.
  21. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Zellbereich eine Halbleiterbauelementstruktur für zumindest einen IGBT aufweist.
  22. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die semiisolierende Schicht zwischen der Gateelektrode und der zweiten Elektrode außerhalb des leitenden Kanalbereichs angeordnet ist und wobei eine zweite semiisolierende Schicht zwischen der Gateelektrode und der ersten Elektrode außerhalb des leitenden Kanalbereichs angeordnet ist.
  23. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper, wobei – eine Halbleiterbauelementstruktur mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer Gateelektrode in einem Zellbereich hergestellt wird, – die Gateelektrode zumindest teilweise von einer Isolationsschicht umgeben wird, – eine semiisolierende Schicht aus einem Material, dessen Grenzflächenzustandsdichte größer als der Quotient aus Durchbruchsladung und Bandlücke des Materials des Halbleiterkörpers ist, zwischen der Gateelektrode und zumindest einer der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode außerhalb eines leitenden Kanalbereichs der Gateelektrode hergestellt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine Randstruktur in einem den Zellbereich umgebenden Randbereich hergestellt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, wobei die semiisolierende Schicht durch eine CVD-Abscheidung (Chemical Vapor Deposition) hergestellt wird.
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