DE102010039258A1 - Transistorbauelement mit reduziertem Kurzschlussstrom - Google Patents

Transistorbauelement mit reduziertem Kurzschlussstrom Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Transistorbauelement, das aufweist:
in einem Halbleiterkörper (100) eine Sourcezone (11) und eine Driftzone (13) eines ersten Leitungstyps;
eine zwischen der Driftzone (13) und der Sourcezone (11) angeordnete Bodyzone (12) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps;
eine Sourceelektrode (21), die die Sourcezone (11) und die Bodyzone (12) kontaktiert;
eine Gateelektrode (15), die benachbart zu der Bodyzone (12) angeordnet und durch eine Gatedielektrikumsschicht (16) dielektrisch gegenüber der Bodyzone (12) isoliert ist;
eine Diodenstruktur, die zwischen die Driftzone (13) und die Sourceelektrode (21) geschaltet ist und die aufweist:
eine erste Emitterzone (31) die angrenzend an die Driftzone (13) in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist;
eine an die erste Emitterzone angrenzende zweite Emitterzone (32) des ersten Leitungstyps, die an die Sourceelektrode (21) angeschlossen ist und die einen Emitterwirkungsgrad γ kleiner als 0,7 aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Transistorbauelement, insbesondere einen MOSFET oder einen IGBT.
  • Transistorbauelemente, wie z. B. Leistungs-MOSFET oder Leistungs-IGBT, werden in Automobil- oder Industrieanwendungen zunehmend als elektronische Schalter zum Schalten elektrischer Lasten eingesetzt. Solche Bauelemente zeichnen sich in eingeschaltetem Zustand durch einen geringen Einschaltwiderstand, und damit durch geringe Verlustleistungen aus. Im Normalbetrieb, d. h. bei fehlerfreier Last, liegt der Spannungsabfall über der Laststrecke eines eingeschalteten Leistungstransistors im Bereich von einigen hundert Millivolt (mV) oder wenigen Volt (V). Der Leistungstransistor ist dazu ausgelegt, die im Zusammenhang mit einem solchen Spannungsabfall und dem dazugehörigen Laststrom stehende Verlustleistung aufzunehmen. Würde die Spannung über der Lastrecke des Leistungstransistors signifikant ansteigen, wie dies beispielsweise bei Auftreten eines Kurzschlusses in der Last der Fall wäre, so würde auch der Lastrom ansteigen. Während des Kurzschlussfalles begrenzt der Leistungstransistor den fließenden Laststrom, weshalb der größte Anteil der Versorgungsspannung am Leistungstransistor anliegt. Die Verlustleistung am Bauelement steigt dadurch erheblich an, was zu einer Zerstörung des Bauelements führen könnte, noch bevor eine eventuell vorhandene Schutzschaltung das Bauelement abschalten könnte.
  • Zum Schutz eines Leistungstransistors vor einer solchen Überlastung kann eine Diode parallel zu einem Teil seiner Laststrecke geschaltet werden, wie dies in Constapel et al. "Trench-IGBT's with Integrated Diverter Structures", ISPSD 1995, pp. 201–205 beschrieben ist. Diese Diode ist so verschaltet ist, dass sie den Spannungsabfall über dem Teil der Laststrecke, zu dem sie parallel geschaltet ist, auf den Wert ihrer Flussspannung begrenzt, wodurch auch ein das Bauelement maximal durchfließender Strom (Kurzschlussstrom) begrenzt wird. Der Spannungsabfall über dem Teil der Laststrecke, zu dem die Diode parallel geschaltet ist, ist hierbei im Normalbetrieb des Leistungstransistors geringer als die Flussspannung der Diode, so dass die Diode im eingeschalteten Zustand des Leistungstransistors dessen Funktionsweise nicht beeinflusst. Zur Realisierung einer solchen Diode ist in Constapel et al., a. a. O., vorgeschlagen in einem IGBT in einer n-dotierten Driftzone ein p-dotiertes Gebiet vorzusehen, das über eine p-Basis bzw. Bodyzone und die n-Emitterzone bzw. Sourcezone an eine Kathodenelektrode bzw. Sourceelektrode angeschlossen ist. Das Vorsehen einer solchen Struktur kann bei sperrendem Bauelement allerdings zu einer Reduktion der Spannungsfestigkeit des Bauelements führen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Transistorbauelement zur Verfügung zu stellen, das einen begrenzten Kurzschlussstrom und eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Transistorbauelement gemäß der Ansprüche 1 oder 7 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Transistorbauelement, das aufweist: in einem Halbleiterkörper eine Sourcezone und eine Driftzone eines ersten Leitungstyps; eine zwischen der Driftzone und der Sourcezone angeordnete Bodyzone eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps; eine Sourceelektrode, die die Sourcezone und die Bodyzone kontaktiert; und eine Gateelektrode, die benachbart zu der Bodyzone angeordnet und durch eine Gate-Dielektrikumsschicht dielektrisch gegenüber der Bodyzone isoliert ist. Das Transistorbauelement umfasst außerdem eine Diodenstruktur, die zwischen die Driftzone und die Sourceelektrode geschaltet ist und die aufweist: eine erste Emitterzone die angrenzend an die Driftzone in dem Halbleiterkörper angeordnet ist, und eine an die erste Emitterzone angrenzende zweite Emitterzone des ersten Leitungstyps, die an die Sourceelektrode die an die Sourceelektrode angeschlossen ist und die einen Emitterwirkungsgrad γ kleiner als 0,7 aufweist.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft ein Transistorbauelement, das aufweist: in einem Halbleiterköroper eine Sourcezone und eine Driftzone eines ersten Leitungstyps; eine zwischen der Driftzone und der Sourcezone angeordnete Bodyzone eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps; eine Sourceelektrode, die die Sourcezone und die Bodyzone kontaktiert; eine Gateelektrode, die benachbart zu der Bodyzone (12) angeordnet und durch eine Gate-Dielektrikumsschicht dielektrisch gegenüber der Bodyzone isoliert ist. Das Transistorbauelement umfasst außerdem eine Schottkydiodenstruktur, die zwischen die Driftzone und die Sourceelektrode geschaltet ist.
  • Bei der Diodenstruktur mit der zweiten Emitterzone, die einen Emitterwirkungsgrad kleiner als 0,7 aufweist werden noch Ladungsträger aus der zweiten Emitterzone in die erste Emitterzone, und damit in die Driftzone injiziert, die sich zu den Ladungsträgern addieren, die über den leitenden MOS-Kanal des Bauelements fließen, und die damit ebenfalls zu dem Kurzschlussstrom beitragen. Der geringe Emitterwirkungsgrad hilft dabei, diese über die Diodenstruktur in die Driftzone fließenden Ladungsträgern zu reduzieren, wobei die Diodenstruktur dennoch den Spannungsabfall über einem Teil der Laststrecke des Transistorbauelements begrenzt. Bei Vorsehen einer Schottkydiode zwischen der Driftzone und der Sourceelektrode werden hingegen bei leitender Schottkydiode keine oder nahezu keine Ladungsträger in die Driftzone injiziert. Eine Schottkydiode ist – im Gegensatz zu einer Bipolardiode – ein unipolares Bauelement, so dass Ladungsträger aus der ersten Emitterzone in Richtung der Sourceelektrode fließen können, ohne dass jedoch Ladungsträger in die erste Emitterzone injiziert werden.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass lediglich die zum Verständnis des Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. Die Figuren sind nicht maßstabsgerecht. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer Diodenstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 2 zeigt schematisch einen horizontalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer ringförmigen Gateelektrode (2A) und mit einer streifenförmigen Gateelektrode (2B).
  • 3 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer Diodenstruktur bei dem die Diodenstruktur Mittel zur Reduktion der Trägerlebensdauer aufweist.
  • 4 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer Diodenstruktur, bei dem eine der Emitterzonen der Diodenstruktur aus einem polykristallinen Halbleitermaterial besteht.
  • 5 veranschaulicht anhand der 5A bis 5C beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung einer Emitterzone aus einem polykristallinen Halbleitermaterial.
  • 6 veranschaulicht anhand der 6A und 6B ein Verfahren zur Herstellung einer Diodenstruktur eines Transistorbauelements, die eine Emitterzone aus einem porösen Halbleitermaterial aufweist.
  • 7 veranschaulicht anhand der 7A und 7B ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Emitterzone einer Diodenstruktur eines Transistorbauelements.
  • 8 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer Diodenstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 9 veranschaulicht einen horizontalen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements gemäß 8.
  • 10 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement, das eine Schottkydiodenstruktur aufweist.
  • 11 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer Schottkydiodenstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 12 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement mit einer Schottkydiodenstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt durch ein Transistorbauelement. Das Transistorbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Seite 101, die nachfolgend auch als Vorderseite bezeichnet wird, und einer zweiten Seite 102, die nachfolgend auch als Rückseite bezeichnet wird. 1 zeigt einen Querschnitt durch das Bauelement in einer vertikalen Schnittebene, die senkrecht zu der Vorder- und Rückseite 101, 102 des Halbleiterkörpers 100 verläuft.
  • Das Transistorbauelement weist eine Sourcezone 11 und eine Driftzone 13 eines ersten Leitungstyps auf, die in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet sind. Zwischen der Sourcezone 11 und der Driftzone 13 ist eine Bodyzone 12 eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps angeordnet. Eine Drainzone 14 schließt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an die Driftzone 13 an, wobei zwischen der Drainzone 14 und der Driftzone 13 auch eine Feldstoppzone (nicht dargestellt) des ersten Leitungstyps vorgesehen sein kann, die höher als die Driftzone 13 dotiert ist.
  • Zur Steuerung eines leitenden Kanals in der Bodyzone 12 zwischen der Sourcezone 11 und der Driftzone 13 weist das Bauelement eine Gateelektrode 15 auf, die benachbart zu der Bodyzone angeordnet ist und die durch eine Gatedielektrikumsschicht 16 dielektrisch gegenüber der Bodyzone 12 isoliert ist. Diese Gateelektrode 15 ist in dem dargestellten Beispiel in einem Graben angeordnet, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in einer vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper 100 hineinerstreckt.
  • Die Gateelektrode 15 ist an einen Gateanschluss G elektrisch leitend angeschlossen, die Sourcezone 11 und die Bodyzone 12 sind gemeinsam über eine Sourceelektrode 21 an einen Sourceanschluss S angeschlossen, und die Drainzone 14 ist über eine Drainelektrode 22 an einen Drainanschluss D des Transistorbauelements angeschlossen. Das Transistorbauelement kann als MOSFET oder als IGBT realisiert sein. Bei einem MOSFET ist die Drainzone 14 vom gleichen Leitungstyp wie die Driftzone 13 und die Sourcezone 11, also vom ersten Leitungstyp. Bei einem IGBT ist die Drainzone 14 komplementär zu der Driftzone 13 und der Sourcezone 11 dotiert, ist also vom zweiten Leitungstyp. Die Drainzone 14 und die Sourcezone 11 werden bei einem IGBT auch als Kollektorzone und Emitterzone bzw. als Emitterzonen, und die Driftzone 13 wird auch als Basiszone bezeichnet. Das nachfolgend erläuterte Konzept gilt in gleicher Weise für einen MOSFET oder einen IGBT, wobei nachfolgend die zuvor eingeführten Bezeichnungen Drainzone, Sourcezone und Driftzone für die einzelnen Bauelementzonen sowohl für einen IGBT als auch für einen MOSFET verwendet werden.
  • Das Transistorbauelement kann als n-leitendes Bauelement realisiert sein. In diesem Fall sind die Bauelementzonen des ersten Leitungstyps, wie z. B. die Sourcezone 11 und die Driftzone 13, n-dotiert, während die Bauelementzonen des zweiten Leitungstyps, wie beispielsweise die Bodyzone 12, p-dotiert sind. Das Bauelement kann auch als p-leitendes Bauelement realisiert sein, die einzelnen Bauelementzonen sind in diesem Fall komplementär zu den Bauelementzonen eines n-leitenden Bauelements zu dotieren. Die Dotierungskonzentrationen der Sourcezone 11 und der Drainzone 14 liegen beispielsweise im Bereich zwischen 1017 cm–3 und 1021 cm–3, die Dotierungskonzentration der Driftzone 13 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1012 cm–3 und 1015 cm–3, und die Dotierungskonzentration der Bodyzone 12 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1016 cm–3 und 1019 cm–3.
  • Das Transistorbauelement umfasst außerdem eine Diodenstruktur, durch die eine zwischen die Driftzone 13 und die Sourceelektrode 21 geschaltete Diode realisiert ist. Zum besseren Verständnis ist das Schaltsymbol dieser Diode in 1 ebenfalls dargestellt und ist dort mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. Das in 1 dargestellte Schaltsymbol der Diode bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel mit n-dotierter Driftzone 13, d. h. für ein n-leitendes Bauelement. Die in 1 dargestellte Diodenstruktur ist jedoch auch bei einem p-leitenden Bauelement anwendbar, wobei in diesem Fall die Diode gegenüber der in 1 gezeigten Darstellung verpolt ist; die einzelnen Bauelementzonen der Diodenstruktur sind in diesem Fall entsprechend komplementär zu dotieren.
  • Die Diodenstruktur umfasst eine erste Emitterzone 31 des zweiten Leitungstyps. Diese erste Emitterzone 31 ist in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet und grenzt an die Driftzone 13 an, um mit der Driftzone 13 einen pn-Übergang zu bilden. Die erste Emitterzone 31 besteht insbesondere aus einem monokristallinen Halbleitermaterial. Die Dotierungskonzentration der ersten Emitterzone 31 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1016 cm–3 und 1019 cm–3.
  • Die Diodenstruktur weist außerdem eine zweite Emitterzone 32 auf, die komplementär zu der ersten Emitterzone 31 dotiert ist und die an die Sourceelektrode 21 angeschlossen ist. Zwischen der Sourceelektrode 21 und der zweiten Emitterzone 32 ist ein ohmscher Kontakt vorhanden. Zu der Realisierung dieses ohmschen Kontakts kann in der zweiten Emitterzone 32 eine hochdotierte Anschlusszone des ersten Leitungstyps (nicht dargestellt) vorhanden sein. Die Aufgabe der Diodenstruktur besteht darin, bei eingeschaltetem Transistorbauelement den Spannungsabfall zwischen dem Abschnitt der Driftzone 13, an den die erste Emitterzone 31 angrenzt und der Sourceelektrode 21 zu begrenzen, und zwar auf den Wert der Flussspannung der Diodenstruktur. Diese Funktionsweise wird nachfolgend erläutert.
  • Zu Zwecken der Erläuterung sei hierbei angenommen, dass die Laststrecke bzw. Drain-Source-Strecke des Transistorbauelements in Reihe zu einer Last Z (gestrichelt dargestellt) zwischen eine Klemme für ein positives Versorgungspotential V+ und ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND geschaltet ist. Zu Zwecken der Erläuterung sei außerdem angenommen, dass das Bauelement ein n-leitendes Bauelement ist. In der erläuterten Schaltungskonfiguration dient das Transistorbauelement als elektronischer Schalter, der durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung zwischen dem Gateanschluss G und dem Sourceanschluss S leitend und sperrend angesteuert bzw. ein- und ausgeschaltet werden kann. Zu Zwecken der Erläuterung sei weiterhin angenommen, dass die Last Z im fehlerfreien Zustand einen elektrischen Widerstand besitzt, der wesentlich höher ist als der Einschaltwiderstand des Transistorbauelements. In diesem Fall liegt bei eingeschaltetem Transistorbauelement die zwischen der Klemme für das positive Versorgungspotential und dem Bezugspotential anliegende Versorgungsspannung im Wesentlichen über der Last Z an. Der Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke des Transistorbauelements bzw. zwischen dem Abschnitt der Driftzone 13, an den die erste Emitterzone 31 angegrenzt und der Sourceelektrode 21 ist in diesem Fall geringer als die Flussspannung der Diodenstruktur, so dass die Diodenstruktur bei fehlerfreier Last die Funktionsweise des Transistorbauelements nicht beeinflusst.
  • Bei einem Kurzschluss der Last Z würde die Spannung zwischen dem Drainanschluss D und dem Sourceanschluss S des Transistorbauelements hingegen erheblich ansteigen und würde im Extremfall der Versorgungsspannung entsprechen, so dass ein entsprechend hoher Strom durch das Bauelement fließen würde. Dieser Strom wird nachfolgend auch als ”Kurzschlussstrom” bezeichnet. Die Diodenstruktur mit der ersten und zweiten Emitterzone 31, 32 dient dazu, bei einem solchen Fehlerfall der Last Z den Spannungsabfall über einem Teil der Laststrecke, und zwar insbesondere über dem Kanalgebiet zwischen einem Punkt C an dem Übergang zwischen der Driftzone 13 und der Bodyzone 12 und der Sourceelektrode 21 zu begrenzen, indem über die Diodenstruktur ein Punkt C' an dem pn-Übergang zwischen der Driftzone 13 und der ersten Emitterzone 31 auf einem niedrigem Potential gehalten wird. Durch diese Begrenzung des Spannungsabfalls über einem Teil der Laststrecke wird der Kurzschlussstrom des Bauelements in entsprechender Weise begrenzt. Das Potential des Punktes C' liegt lediglich um die Flussspannung der Diode 30 höher als das Sourcepotential. Über dem Teil der Laststrecke des Bauelements, zu dem die Diodenstruktur parallel geschaltet ist, wird die Laststreckenspannung dabei auf den Wert der Flussspannung bzw. Durchlassspannung der Diodenstruktur begrenzt.
  • Die Driftzone 13 und die erste Emitterzone 31 bilden einen pn-Übergang 18, der bei einem n-leitenden Bauelement bei positivem Potential am Drainanschluss D in Sperrrichtung betrieben wird. Wenn bei leitend angesteuertem Bauelement die Durchlassspannung der Diodenstruktur nicht erreicht ist, liegt die erste Emitterzone 31 auf einem floatenden Potential, das etwas niedriger sein kann, als das Potential der Driftzone 13 am pn-Übergang 18. Die genaue Höhe dieses Potentials wird über den Leckstrom des pn-Übergangs 18 und die Schwellspannung der durch die erste und zweite Emitterzone 31, 32 gebildete Diode 30 bzw. deren Unterschwellstrom eingestellt.
  • Die Durchlassspannung der Diode 30 bestimmt das positive Potential, auf das die erste Emitterzone 31 maximal über das Potential des Sourceanschlusses S ansteigen kann. Auf diese Weise wird das Potential der ersten Emitterzone 31 und somit auch die Potentialdifferenz zwischen der Bodyzone 12 und der Emitterzone 31 benachbart zu der Gateelektrode 15 ”geklemmt”. Zwischen der Bodyzone 12 und der ersten Emitterzone 31 kann also im Bereich der Punkte B und B' maximal eine positive Spannung in Höhe der Flussspannung der durch die Emitterzonen 31, 32 gebildeten Diode 30 anliegen. Folglich ist auch der Spannungsabfall entlang des durch die Gateelektrode 15 über die Gatedielektrikumsschicht 16 gebildeten Kanals begrenzt. Der maximale Spannungsabfall entlang des Kanals im Kurzschlussfall wiederum definiert die Höhe des Kurzschlussstroms. Durch eine Reduzierung des maximalen Kanalspannungsabfalls kann also das Niveau des Kurzschlussstroms ebenfalls reduziert werden.
  • Die Diodenstruktur 30 bildet zusammen mit der Driftzone 13 des Transistorbauelements einen parasitären Bipolartransistor, der bei einem n-leitendem Bauelement ein npn-Bipolartransistor und einem p-leitendem Bauelement ein pnp-Bipolartransistor ist. Um zu verhindern, dass diese parasitäre Transistorstruktur bei sperrendem Bauelement, also dann, wenn eine Spannung über der Laststrecke D–S des Transistorbauelements anliegt, das Transistorbauelement jedoch ausgeschaltet ist, die Spannungsfestigkeit des Bauelements beeinflusst, ist vorgesehen, dass die zweite Emitterzone 32 einen möglichst geringen Emitterwirkungsgrad besitzt. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die zweite Emitterzone 32 in der Lage ist, Ladungsträger aus der ersten Emitterzone 31, und damit aus der Driftzone 13, aufzunehmen, dass die zweite Emitterzone jedoch nicht oder nur in geringem Maß Ladungsträger über die erste Emitterzone 31 in die Driftzone 13 injiziert.
  • Wenn die Flussspannung der Diodenstruktur erreicht ist, fließt ein erster Ladungsträgerstrom j31 aus der ersten Emitterzone 31 in die zweite Emitterzone, und ein zweiter Ladungsträgerstrom j32 fließt aus der zweiten Emitterzone 32 in die erste Emitterzone. Einer dieser Ladungsträgerströme ist ein Elektronenstrom, und zwar der Ladungsträgerstrom aus derjenigen Emitterzone, die n-dotiert ist, und einer dieser Ladungsträgerströme ist ein Löcherstrom, und zwar der Ladungsträgerstrom aus derjenigen Emitterzone, die p-dotiert ist. Der Emitterwirkungsgrad γ der im vorliegenden Fall relevanten zweiten Emitterzone ist definiert als
    Figure 00110001
  • Die Eigenschaften der ersten und der zweiten Emitterzone sind dabei so gewählt, dass der Emitterwirkungsgrad γ der zweiten Emitterzone 32 kleiner als 0,7, kleiner als 0,5 oder sogar kleiner als 0,3 ist. man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem schwachen Emitter. Ein Emitterwirkungsgrad γ = 0,5 liegt beispielsweise dann vor, wenn der erste Ladungsträgerstrom j31 dem zweiten Ladungsträgerstrom j32 entspricht. Ist der zweite Ladungsträgerstrom j32 kleiner als der erste Ladungsträgerstrom, so ist der Emitterwirkungsgrad der zweiten Emitterzone 32 γ kleiner als 0,5. Der Emitterwirkungsgrad der zweiten Emitterzone lässt sich beispielsweise indirekt anhand der Flussspannung ermitteln, die mit geringer werdendem Emitterwirkungsgrad etwas zunimmt, oder lässt sich anhand von Simulationen in Kenntnis der Dotierungskonzentrationen und anderer struktureller Merkmale der ersten und zweiten Emitterzone 31, 32 anhand von Simulationen ermitteln.
  • Zur Einstellung des Emitterwirkungsgrads der zweiten Emitterzone 32 auf einen der solch geringen Wert sind verschiedene Maßnahmen möglich, die nachfolgend anhand weiterer Figuren noch im Detail erläutert werden.
  • Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Gateelektrode 15 zwei Gateelektrodenabschnitte auf, die in horizontaler Richtung des Halbleiterkörper 100 beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Bodyzone 12 und die Sourcezone 11 sind hierbei zwischen den beiden Gateelektrodenabschnitten angeordnet und sind in diesem Bereich gemeinsam durch die Sourceelektrode 21 kontaktiert. Bei herkömmlichen Leistungstransistoren liegen die Abstände zwischen zwei benachbarten Gateelektrodenabschnitten im Bereich zwischen 1 μm und 50 μm und der sogenannte Pitchabstand, das ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Transistorzellen, im Bereich zwischen 10 μm und 100 μm. Diese Abstände bestimmen die Transistorzellendichte und damit den spezifischen Einschaltwiderstand des Bauelements. Eine Verringerung dieser Abstände würde den Einschaltwiderstand reduzieren, würde allerdings auch die Kurzschlussströme erhöhen.
  • Eine Diodenstruktur mit einem Emitterwirkungsgrad der zweiten Emitterzone innerhalb des zuvor erläuterten Bereichs führt zu einer wirkungsvollen Reduktion des Kurzschlussstroms und lässt dadurch auch höhere Zellendichten zu. Bei einem Beispiel ist daher ein Pitchabstand zwischen 1 μm und 20 μm und insbesondere kleiner als 10 μm vorgesehen. Der Pitchabstand kann unabhängig von dem gegenseitigen Abstand der Gateelektrodenabschnitte gewählt werden. Der gegenseitige Abstand der Gateelektrodenabschnitte ist beispielsweise geringer als ihm, geringer als 0,3 μm oder sogar geringer als 0,1 μm. Ein solch geringer Abstand trägt einerseits zur Erhöhung der Zellendichte bei. Andererseits führt ein solch geringer Abstand der Gateelektrodenabschnitte bei einem IGBT zu einem schlechteren Abfluss der p-Ladungsträger aus der Driftzone 13 über die Bodyzone 12, so dass ein Ladungsträgerstau an der Bodyzone 12 entsteht, der im Endeffekt zu einer Verringerung der Durchlassverluste führt.
  • Bezugnehmend auf 2A, die einen horizontalen Querschnitt in einer Schnittebene A-A durch das Bauelement gemäß 1 zeigt, kann die Gateelektrode 15 in einem ringförmigen Graben angeordnet sein, wobei zwei sich gegenüber liegende Abschnitte der Gateelektrode 15 – wie in 1 dargestellt – Gateelektrodenabschnitte 15 bilden. Bezugnehmend auf 2B, die einen horizontalen Querschnitt in der Schnittebene A-A eines weiteren Bauelements zeigt, kann die Gateelektrode 15 auch streifenförmig ausgebildete, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Gateelektrodenabschnitte aufweisen, wobei zwischen zwei parallel verlaufenden Gateelektrodenabschnitten die Bodyzone 12 und die Sourcezone 11 angeordnet ist. Die Diodenstruktur mit der ersten und zweiten Emitterzone 31, 32 kann – wie es insbesondere in den 1, 2A und 2B dargestellt ist – symmetrisch um die Gateelektrode 15 angeordnet sein. Die zweite Emitterzone 32 ist dabei in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 durch die Gateelektrode 15 und die Gatedielektrikumsschicht 16 von der Sourcezone 11 und der Bodyzone 12 getrennt, wie dies in 1 dargestellt ist. Die zweite Emitterzone 32 kann – wie dargestellt – in horizontaler Richtung insbesondere beabstandet zu der Gatedielektrikumsschicht 16 angeordnet sein. Eine Isolationsschicht 23 verhindert in diesem Fall, dass die Sourceelektrode 21 die erste Emitterzone 32 kontaktiert.
  • Die erste Emitterzone 31 kann in horizontaler Richtung des Halbleiterkörpers die Bodyzone 12 überlappen. Mit anderen Worten: ein Abschnitt der ersten Emitterzone 31 ist in Stromflussrichtung des Bauelements zwischen der Bodyzone 12 und der Drainzone 14 angeordnet. Die erste Emitterzone 31 kann in horizontaler Richtung auch im Bereich unterhalb der Gateelektrode 15 enden (im rechten Teil der 1 gestrichelt dargestellt) oder kann auch nur an der der Bodyzone 12 abgewandten Seite bis an die Gateelektrode 15 oder die Gatedielektrikumsschicht 16 heranreichen (im rechten Teil der 1 gepunktet dargestellt). Dadurch kann die maximale Spannungsdifferenz zwischen dem Punkt C und der Sourceelektrode S variiert werden, ohne dass die Flussspannung der Diode 30 verändert werden muss, da der Abstand zwischen dem Punkt C', der auf einem durch die Diodenstruktur definiertem Potential liegt, und dem Punkt C vergrößert wird. Bei dem in 1 dargestellten vertikalen Bauelement ist die Stromflussrichtung eine vertikale Richtung des Halbleiterkörpers 100. Zwischen der Bodyzone 12 und der ersten Emitterzone 31 ist hierbei ein Abschnitt der Driftzone 13 angeordnet.
  • Das Transistorbauelement kann zellenartig aufgebaut sein, d. h. kann eine Vielzahl der in 1 bzw. den 2A und 2B dargestellten Transistorstrukturen aufweisen, die parallel geschaltet sind, d. h. deren Gateelektroden an einen gemeinsamen Gateanschluss G angeschlossen sind und deren Source- und Bodyzonen an einen gemeinsamen Sourceanschluss S angeschlossen sind. Die Driftzone 13 und die Drainzone 14 können hierbei den einzelnen Transistorzellen gemeinsam sein.
  • Die zweite Emitterzone 32 mit dem niedrigen Emitterwirkungsgrad ist in 1 lediglich schematisch dargestellt. Zur Realisierung dieser zweiten Emitterzone 32 gibt es verschiedne Möglichkeiten, von denen einige nachfolgend anhand von Beispielen erläutert werden.
  • Die zweite Emitterzone 32 ist ohmsch mit der Sourceelektrode 21 verbunden, d. h. zwischen der zweiten Emitterzone 32 und der Sourceelektrode 21 ist ein ohmscher Kontakt vorhanden. Bei Verwendung herkömmlicher Donatoren wie Phosphor oder Arsen werden Dotierungskonzentrationen oberhalb von etwa 1019 cm–3 benötigt, um einen ohmschen Kontakt zu erhalten. Andererseits soll die integrale Dotierstoffdosis der zweiten Emitterzone 32 die integrale Dotierstoffdosis der ersten Emitterzone 31 nicht überschreiten, damit der Emitterwirkungsgrad möglichst gering, d. h. innerhalb des zuvor angegebenen Bereichs bleibt. Bei einer Dotierung der ersten Emitterzone 31 zwischen 1016 cm–3 und 1019 cm–3 und einer Eindringtiefe – d. h. einer Abmessung der ersten Emitterzone in vertikaler Richtung – zwischen beispielsweise 1 μm und 10 μm liegt die Dotierstoffdosis der ersten Emitterzone 31, und somit die Obergrenze der Dotierstoffdosis der zweiten Emitterzone 32 zwischen etwa
    1 μm·1016 cm–3 = 1·1012 cm–2 und 10 μm·1019 cm–3 = 1·1016 cm–2. Somit soll die Eindringtiefe der zweiten Emitterzone 32, insbesondere im Bereich der niedrigen Dotierstoffdosen, möglichst gering sein, damit gleichzeitig eine hohe Randkonzentration für den ohmschen Kontakt und eine geringe Dosis für einen schwachen Emitter gewährleistet werden kann. Mit der Randbedingung, dass technisch über Implantation realisierte Eindringtiefen von Arsen minimal bei etwa 50 nm liegen (entspricht bei einer gewünschten Zieldosis von 1·1012 cm–2 einer maximalen Dotierungskonzentration von 2·1017 cm–3), ist erkennbar, dass die obige Forderung nicht für alle Dimensionierungsbereiche erfüllt werden kann.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist daher vorgesehen, dass die zweite Emitterzone 32 mit Selen oder Schwefel dotiert ist. Eine solche Schwefel- oder Selendotierung kann mit einer niedrigen Dotierung herkömmlicher Dotierstoffe, wie z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon kombiniert werden kann.
  • Wird Selen in einer Konzentration weit über dessen Löslichkeitsgrenze – beispielsweise mit einer Konzentration im Bereich von größer 1019 cm–3 – in die Halbleiterschicht eingebracht, dann ist die für die ohmsche Kontaktierung von n-dotiertem Silizium erforderliche hohe Dotierungskonzentration – in Form einer Selenkonzentration – vorhanden.
  • Selen ist als Kontaktmaterial geeignet, da es im Siliziumkristall sowohl als Donator wirkt als auch in seiner sogenannten ”grauen Modifikation” gleichermaßen Strom leitet, d. h. metallischen Charakter zeigt. Selen weist jedoch eine Löslichkeit in Silizium auf, die nur ein Bruchteil der oben genannten Selenkonzentration beträgt. Dies hat zur Folge, dass auch nur dieser Bruchteil der eingebrachten Selenatome für die erste Emitterzone elektrisch wirksam sein kann.
  • Selen hat in Silizium beispielsweise eine maximale Löslichkeit von etwa 8·1018 cm–3. Zudem ist Selen ein ”tiefer Donator”, d. h. das Donatorniveau liegt etwa 250 meV unterhalb der Leitungsbandkante. Bei Raumtemperatur ist nur ein geringer Anteil, z. B. weniger als 20%, des eingebrachten Selens ionisiert und somit als Donator- bzw. Emitterdotierung aktiv.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich das mit Selen oder Schwefel dotierte Halbleitergebiet der zweiten Emitterzone 32 an die Sourceelektrode 21 anschließt, und dass zwischen dem mit Selen oder Schwefel dotierten Halbleitergebiet und der ersten Emitterzone 31 ein schwach mit üblichen Dotierstoffatomen, wie Phosphor, Arsen oder Antimon, dotiertes Halbleitergebiet angeordnet ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass Selen- oder Schwefelatome aus dem sich an die Sourceelektrode 21 anschließenden Gebiet mittels eines Temperaturschrittes in Richtung des pn-Übergangs diffundiert werden, wodurch die Emittereffizienz auch in den näher am pn-Übergang der Diodenstruktur gelegenen Bereichen der zweiten Emitterzone 32 reduziert ist. Selen oder Schwefel eignet sich zur Herstellung einer n-dotierten zweiten Emitterzone 32.
  • 3 veranschaulicht anhand eines vertikalen Querschnitts durch das Transistorbauelement ein Ausführungsbeispiel einer zweiten Emitterzone 32, deren Emitterwirkungsgrad dadurch reduziert ist, dass Kristallschäden 33, die in 3 lediglich schematisch dargestellt sind, im Bereich des pn-Übergangs zwischen der ersten und zweiten Emitterzone 31, 32, und insbesondere in der ersten Emitterzone 31 im Bereich des pn-Übergangs vorhanden sind. Solche Kristallschäden können beispielsweise durch Ionenimplantation, wie beispielsweise Implantation von Arsenionen, Argonionen, Sauerstoffionen, Heliumionen, Protonen, oder Elektronen oder Halbleiteratomen, wie z. B. Siliziumatomen, hergestellt werden. Optional ist in der ersten Emitterzone 31 in einem Bereich zwischen den Kristallschäden 33 und übrigen Bereichen der ersten Emitterzone 31 eine höher dotierte Zone 34 des zweiten Leitungstyps vorhanden. Diese höher dotierte Zone wirkt als Diffusionsbarriere für Leckströme aus der zweiten Emitterzone 32, d. h. als Diffusionsbarriere für Elektronenströme, wenn die zweite Emitterzone 32 n-dotiert ist. Gleichzeitig wirkt eine solche höher dotierte Zone als ”Bremse” für aus der zweiten Emitterzone 32 injizierte Elektronen im Vorwärtsbetrieb der vorbeschriebenen Diode 40.
  • Die maximale Dotierungskonzentration der zweiten Emitterzone 32 liegt beispielsweise im Bereich über 1019 cm–3 für eine Donatordotierung, d. h. bei einer n-dotierten zweiten Emitterzone, und bei über 1017 cm–3 für eine Akzeptordotierung, d. h. bei einer p-dotierten zweiten Emitterzone. Die zweite Emitterzone 32 kann mit herkömmlichen Dotierstoffen dotiert sein, d. h. beispielsweise mit Phosphor (P), Arsen (As), oder Antimon (Sb) bei einer n-dotierten zweiten Emitterzone, oder mit Bor (B) bei einer p-dotierten zweiten Emitterzone 32.
  • Die Kristalldefekte im Bereich des pn-Übergangs bzw. in der zweiten Emitterzone 31 entlang des pn-Übergangs bewirken eine Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer der aus der zweiten Emitterzone 32 in die erste Emitterzone 31 injizierten Ladungsträger, woraus insgesamt ein reduzierter Wirkungsrad der zweiten Emitterzone 32 resultiert. Die durch die oben erläuterten Implantationen bewirkten Kristalldefekte können durch einen Temperaturschritt stabilisiert werden, bei dem der Halbleiterkörper 100 insbesondere im Bereich des pn-Übergangs zwischen der ersten und zweiten Emitterzone 31, 32 auf Temperaturen zwischen 180°C und 350°C aufgeheizt wird. Bei höheren Temperaturen würden die Kristalldefekte ausheilen. Sofern aus anderen Gründen höhere Temperaturen als 350°C erforderlich sein sollten, können die Kristallschäden insbesondere durch eine Argonimplantation hergestellt werden. Die durch eine solche Argonimplantation erzeugten Kristalldefekte heilen erst bei höheren Temperaturen aus.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zweite Emitterzone 32 mit herkömmlichen Dotierstoffen dotiert ist, wie z. B. mit Phosphor für eine n-dotierte zweite Emitterzone oder z. B. mit Bor für eine p-dotierte Emitter zweite Emitterzone 32. Diese Dotierstoffe werden mittels einer flachen Ionenimplantation, d. h. einer Implantation mit geringer Eindringtiefe, in den Bereich der zweiten Emitterzone 32 eingebracht, wobei nach der Implantation nur Temperaturschritte mit maximal etwa 450°C, oder gar nur maximal etwa 420°C durchgeführt werden. Auf der Halbleiteroberfläche kann sich während des Temperaturschrittes bereits eine Metallisierung, insbesondere eine aluminiumhaltige Metallisierung, befinden. Bei Temperaturschritten mit den zuvor genannten niedrigen Temperaturen bleibt ein Großteil der durch die Ionenimplantation erzeugten Kristallschäden im Bereich der zweiten Emitterzone 32 erhalten, die ebenfalls zu einer Reduktion der Trägerlebensdauer, und damit zu einem niedrigen Emitterwirkungsgrad führen. Es können somit erheblich höhere Dotierstoffdosen in den Halbleiter eingebracht werden, als im Fall von zumindest überwiegend ausgeheilten Dotierungen, und trotzdem ein niedriger Emitterwirkungsgrad erreicht werden. Andererseits erleichtert bzw. ermöglicht die höhere vorliegende Dotierstoffkonzentration einen ohmschen Kontakt der zweiten Emitterzone 32 mit der Sourceelektrode 21. Typische Implantationsdosen liegen für Phosphor im Bereich oberhalb etwa 4·1014 cm–2, insbesondere oberhalb etwa 1·1015 cm–2 und für Bor oberhalb etwa 1·1012 cm–2, insbesondere oberhalb etwa 5·1012 cm–2.
  • Anstatt Kristallschäden im Bereich des pn-Übergangs zwischen der ersten und der zweiten Emitterzone 31, 32 zu erzeugen, um die Ladungsträgerlebensdauer zu reduzieren, können auch Schwermetallatome, wie z. B. Platinatome oder Goldatome in den Bereich des pn-Übergangs eingebracht werden. Solche Atome sorgen ebenfalls für eine Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer und damit zur Reduktion der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads der zweiten Emitterzone 32. Diese Schwermetallatome können in hinlänglich bekannter Weise durch Ionenimplantation in den Bereich des pn-Übergangs eingebracht werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, durch andere Bestrahlungstechniken, wie z. B. eine Protonen- oder eine Elektronenbestrahlung Gitterleerstellen im Bereich des pn-Übergangs zu erzeugen, in die dann die Schwermetallatome leichter bzw. mit höherer Konzentration als in ungestörte Gebiete eingebracht werden.
  • Eine mit Selen oder Schwefel dotierte zweite Emitterzone 32 kann in dem Halbleiterkörper 100 angeordnet und aus einem monokristallinen Halbleitermaterial bestehen. Gleiches gilt für die anhand von 3 erläuterte zweite Emitterzone einer Diodenstruktur, die Mittel zur Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer aufweist.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Transistorbauelements mit einer Diodenstruktur. Bei diesem Bauelement ist die zweite Emitterzone 32 oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und besteht aus einem mit Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps dotierten polykristallinen Halbleitermaterial, wie insbesondere Polysilizium. Polysilizium besitzt eine gestörte Kristallstruktur mit vielen Korngrenzen, wodurch die Trägerlebensdauern in Polysilizium sehr klein sind. Die Funktion einer zweiten Emitterzone 32 aus Polysilizium ist analog der vorstehend beschriebenen zweiten Emitterzone 32 mit nicht oder nicht vollständig ausgeheilten Implantationsschäden. Anstatt aus einem polykristallinen Halbleitermaterial kann die zweite Emitterzone 32 auch aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehen. Ein mögliches Verfahren zur Herstellung einer zweiten Emitterzone 32 aus einem dotierten polykristallinen Halbleitermaterial wird nachfolgend anhand der 5A bis 5C erläutert, die jeweils einen vertikalen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 im Bereich der Diodenstruktur zeigen. Bezugnehmend auf 5A wird nach Herstellung der ersten Emitterzone 31, z. B. mittels lokaler Ioneneimplantation und anschließender Ausdiffusion der Dotierstoffe in den Halbleiterkörper 100, auf der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 eine Diffusionsbarrierenschicht 34, wie beispielsweise eine Oxidschicht hergestellt. Auf dieser Diffusionsbarrierenschicht 34 wird anschließend eine dotierte polykristalline Halbleiterschicht 32' hergestellt, wie beispielsweise durch einen Abscheideprozess. Die Diffusionsbarrierenschicht 34 verhindert bei Herstellung der polykristallinen Halbleiterschicht 32', dass Dotierstoffatome aus der polykristallinen Halbleiterschicht 32' in den Halbleiterkörper 100, und damit die erste Emitterzone 31 eindiffundieren.
  • Die Diffusionsbarrierenschicht 34 wird anschließend mittels eines Temperaturschritts, bei dem der Halbleiterkörper 100 zumindest im Bereich der Diffusionsbarriere 34 aufgeheizt wird, ”aufgebrochen” oder gar ”aufgelöst”. Reste der Diffusionsbarriere 34 sind in 5C mit dem Bezugszeichen 34' dargestellt. Um ein Aufbrechen oder Auflösen der Diffusionsbarriere 34 zu ermöglichen, kann die Diffusionsbarriere 34 als dünne Schicht realisiert werden, insbesondere als Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als etwa 4 nm, insbesondere weniger als etwa 2 nm.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zur Realisierung einer zweiten Emitterzone 32 mit geringem Emitterwirkungsgrad ist vorgesehen, diese zweite Emitterzone 32 in einem Bereich zu erzeugen, in dem der Halbleiterkörper 100 porös ist bzw. poröses Halbleitermaterial aufweist. Die 6A und 6B, die jeweils einen vertikalen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 im Bereich der Diodenstruktur zeigen, veranschaulichen die Herstellung einer solchen zweiten Emitterzone 32. Bezugnehmend auf 6A wird zunächst ein Bereich des Halbleiterkörpers 100, in dem die zweite Emitterzone 32 herzustellen ist, porös gemacht bzw. porosiert. An der Oberfläche von Halbleitern kommt es stets zur Rekombination von n-Ladungsträgern beispielsweise aus einer n-Emitterzone mit p-Ladungsträgern aus einer p-Emitterzone. Bei einem porosierten Halbleitermaterial ist die Halbleiteroberfläche und somit die Oberflächenrekombination drastisch erhöht. Im Ergebnis wird die Minoritätsträgerlebensdauer in den Emitterzonen und somit der Emitterwirkungsgrad reduziert. Bezugnehmend auf 6B werden anschließend Dotierstoffatome des ersten Leistungstyps in den porösen Abschnitt 35 des Halbleiterkörpers 100 durch ein Implantationsverfahren und/oder ein Diffusionsverfahren eingebracht. Innerhalb des porösen Abschnitts 35 des Halbleiterkörpers 100 ist die Ladungsträgerlebensdauer stark reduziert, so dass eine derart hergestellte zweite Emitterzone 32 lediglich eine geringe Effizienz bzw. einen geringen Emitterwirkungsgrad besitzt.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zweite Emitterzone 32 als Silizium-Germanium-(SiGe)-Schicht realisiert ist. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen zweiten Emitterzone 32 wird nachfolgend anhand der 7A und 7B erläutert, die jeweils einen vertikalen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 im Bereich der Diodenstruktur zeigen. Bezugnehmend auf 7A wird bei diesem Verfahren zunächst die erste Emitterzone 31 hergestellt. Anschließend wird auf der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 im Anschluss an die erste Emitterzone 31 eine Si1-xGex-Schicht abgeschieden, die anschließend durch die Sourceelektrode 21 (in den 7A und 7B nicht dargestellt) kontaktiert wird. Bei einem SiGe-Emitter wird der geringere Bandabstand der SiGe-Schicht genutzt, der umso kleiner ist, je höher der Ge-Anteil des Emitters ist. Auf diese Weise werden sowohl die Schwellenspannung des gebildeten pn-Übergangs als auch die Trägerinjektion in das reine Si (mit höherem Bandabstand) reduziert, so dass im Ergebnis ein geringer Emitterwirkungsgrad vorhanden ist.
  • Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, mehrere der zuvor erläuterten Maßnahmen zur Realisierung einer zweiten Emitterzone 32 mit geringem Emitterwirkungsgrad miteinander zu kombinieren. So kann beispielsweise eine polykristalline Emitterzone 32, wie sie anhand der 5A bis 5C erläutert wurde, mit Selen oder Schwefel dotiert sein. In entsprechender Weise kann eine zweite Halbleiterzone 32, die in einem porösen Halbleitergebiet 35 (vgl. 6A und 6B) realisiert ist, mit Selen oder Schwefel dotiert sein. Eine zweite Emitterzone aus Silizium-Germanium, wie sie anhand der 7A und 7B erläutert wurde, kann beispielweise mit Mitteln zur Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer kombiniert werden, wie sie anhand von 3 erläutert wurden.
  • Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen erstreckt sich die erste Emitterzone 31 der Diodenstruktur benachbart zu der Gateelektrode 15 bis an die Vorderseite 101 oder bis knapp unterhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100, und die zweite Emitterzone 32 ist im Anschluss an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet, oder ist auf der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und jeweils durch die Sourceelektrode 21 kontaktiert.
  • Diese Art der Realisierung der Diodenstruktur ist lediglich ein Beispiel. Die Diodenstruktur mit der in dem Halbleiterkörper 100 angeordneten ersten Emitterzone 31 aus monokristallinem Halbleitermaterial und der zweiten Emitterzone 32 mit niedrigem Emitterwirkungsgrad, die an die Sourceelektrode 21 angeschlossen ist, kann gegenüber der bislang erläuterten Struktur auf vielfältige Weise modifiziert werden.
  • 8 veranschaulicht anhand eines vertikalen Querschnitts ein Ausführungsbeispiel eines Transistorbauelements, bei dem die erste Emitterzone 31 als vergrabene Halbleiterschicht in der Driftzone 13 realisiert ist. Die zweite Emitterzone 32 ist bei diesem Bauelement in einem Graben angeordnet, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in vertikaler Richtung bis in die erste Emitterzone 31 erstreckt. Dieser Graben erstreckt sich in dem dargestellten Beispiel durch die Bodyzone 12 und einen Teil der Driftzone 13. Die zweite Emitterzone 32 ist hierbei gegenüber der Bodyzone 12 und der Driftzone 13 mittels einer Isolationsschicht 35, wie beispielsweise einer Oxidschicht oder einer Nitridschicht, isoliert. Im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 ist die zweite Emitterzone 32 an die Sourceelektrode 21 angeschlossen. Der pn-Übergang zwischen der ersten und der zweiten Emitterzone 32 ist bei diesem Ausführungsbeispiel vergraben im Halbleiterkörper angeordnet.
  • Das in 8 dargestellte Transistorbauelement ist als Trenchtransistor mit einer in einem Graben des Halbleiterkörpers 100 angeordneten Gateelektrode 15 realisiert. In dem in 8 dargestellten vertikalen Querschnitt sind mehrere Abschnitte der Gateelektrode 15 dargestellt. Die erste Emitterzone 31 besitzt ebenfalls mehrere Abschnitte, die jeweils unterhalb der Gateelektrode 15 angeordnet sind und die in horizontaler Richtung abschnittsweise die Bodyzone 12 überlappen. Diese einzelnen Abschnitte der ersten Emitterzone 31 sind innerhalb des Halbleiterkörpers 100 miteinander verbunden, wodurch alle Abschnitte der ersten Emitterzone 31 mit dem Abschnitt verbunden sind, der mit der zweiten Emitterzone 32 den pn-Übergang bildet.
  • Bezugnehmend auf 9, die einen horizontalen Querschnitt in der in 8 dargestellten Schnittebene B-B zeigt, ist die erste Emitterzone 31 beispielsweise gitterförmig realisiert. Die oberhalb der ersten Emitterzone 31 angeordnete Gateelektrode (in 9 nicht dargestellt) kann eine entsprechende gitterförmige Geometrie oder auch eine streifenförmige Geometrie besitzen. Wenngleich in 8 lediglich ein Graben mit der zweiten Emitterzone 32 dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, dass mehrere solcher Gräben mit einer zweiten Emitterzone 32 vorhanden sein können, wobei diese Gräben mit der zweiten Emitterzone 32 jeweils beabstandet zu den Gräben mit der Gateelektrode angeordnet sind. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Dotiergebiete in realen Bauelementen abhängig von den verwendeten Verfahren immer gewisse Ausdiffusionen und somit Rundungen der Grenzen besitzen. Bezugnehmend auf die 8 und 9 bedeutet dies, dass die dort gezeigten Ecken in Realität auch abgerundet sein können.
  • Zwischen den einzelnen Abschnitten der ersten Emitterzone 31 können bezugnehmend auf 8 höher dotierte Zonen 17 des ersten Leitungstyps in der Driftzone 13 angeordnet sein. Diese höher dotierten Zonen können zur Reduktion des Einschaltwiderstandes des Bauelements beitragen.
  • Die zweite Emitterzone 32 ist in 8 lediglich schematisch dargestellt. Diese zweite Emitterzone 32 besitzt einen reduzierten Emitterwirkungsgrad. Zur Realisierung dieser zweiten Emitterzonen 32 mit reduziertem Emitterwirkungsgrad können alle der zuvor anhand der 1 bis 7 erläuterten Maßnahmen in entsprechender Weise angewendet werden. So kann die zweite Emitterzone 32 beispielsweise aus einem polykristallinen Halbleitermaterial bestehen, aus Silizium-Germanium oder aus einem porösen Halbleitermaterial, oder aus einem monokristallinen Halbleitermaterial mit Kristallschäden
  • 10 veranschaulicht anhand eines vertikalen Querschnitts ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Transistorbauelements mit einer Diodenstruktur. Diese Diodenstruktur ist eine Schottkydiodenstruktur, die durch die erste Emitterzone 31 und eine Schottkyelektrode 41 gebildet ist. Diese Schottkyelektrode 41 bildet mit der ersten Emitterzone 32 einen Schottkykontakt. Die Schottkyelektrode 41 ist durch die Sourceelektrode 21 kontaktiert oder bildet die Sourceelektrode 21. In dem zuletzt genannten Fall kontaktiert die Schottkyelektrode 41 auch die Sourcezone 11 und die Bodyzone 12 bzw. eine höher dotierte Anschlusszone 19 der Bodyzone 12, wobei zwischen diesen Zonen und der Schottkyelektrode ein ohmscher Kontakt vorhanden ist.
  • Bei einem n-leitenden Bauelement ist die erste Emitterzone 31 p-dotiert. Zur Herstellung eines Schottkykontakts auf einer p-dotierten Halbleiterzone eignet sich beispielsweise Palladiumsilizid (Pd2Si) als Material der Schottkyelektrode 41. Die Dotierungskonzentration der ersten Emitterzone liegt beispielsweise zwischen 1015 cm–3 und 1016 cm–3.
  • Die Schottkydiodenstruktur bildet eine Schottkydiode, deren Schaltsymbol in 10 ebenfalls dargestellt ist. Eine Schottkydiode ist ein unipolares Bauelement, das Ladungsträger aus der Driftzone 13 aufnimmt, das jedoch keine Ladungsträger in die Driftzone 13 injiziert. Dies ist gleichbedeutend damit, dass bei einer p-dotierten ersten Emitterzone 13 ein n-Emitterwirkungsgrad der Schottkydiode annähernd gleich Null ist, bzw. dass bei einer n-dotierten ersten Emitterzone 31 ein p-Emitterwirkungsgrad der Schottkydiode annähernd gleich Null ist. Bei sehr hohen Stromdichten können auch Schottky-Dioden injizieren, wobei die Injektion allerdings deutlich geringer ist als bei konventionellen pn-Dioden.
  • 11 veranschaulicht anhand eines vertikalen Querschnitts ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Transistorbauelements mit einer Diodenstruktur. Bei diesem Bauelement ist eine Schottkydiodenstruktur zwischen der ersten Emitterzone 31 und der Sourceelektrode 21 angeordnet. Diese Schottkydiodenstruktur umfasst eine Halbleiterzone 42 des ersten Leitungstyps, die durch eine Schottkyelektrode 41 kontaktiert ist und die mit der Schottkyelektrode 41 einen Schottkykontakt bildet. Die Halbleiterzone 42 ist an die Sourceelektrode 21 angeschlossen, wobei optional eine höher dotierte Anschlusszone 43 des ersten Leitungstyps zum Anschließen der Halbleiterzone 42 an die Sourceelektrode 21 vorgesehen sein kann. Die Schottkyelektrode 41 kontaktiert außerdem die erste Emitterzone 32, wobei die Schottkyelektrode 41 und/oder die Dotierungskonzentration der ersten Emitterzone 32 so gewählt ist, dass ein ohmscher Kontakt zwischen der Schottkyelektrode 41 und der ersten Emitterzone 32 vorhanden ist. Optional ist zwischen der Anschlusszone 43 und der Schottkyelektrode 41 ein hoch dotierter Guardring 44 des zweiten Leitungstyps angeordnet.
  • Zwischen der ersten Emitterzone 31 und der Halbleiterzone 42 der Schottkydiodenstruktur ist ein pn-Übergang bzw. eine pn-Diode gebildet, deren Schaltsymbol in 11 ebenfalls dargestellt ist. Die Schottkydiodenstruktur ist hierbei insbesondere so gewählt, dass die Flussspannung der Schottkydiode geringer ist als die der pn-Diode, so dass die pn-Diode inaktiv bleibt.
  • Die anhand von 11 dargestellte Diodenstruktur eignet sich insbesondere bei n-leitenden Bauelementen, bei denen die erste Emitterzone 31 p-dotiert ist. Wie anhand von 10 dargestellt ist, kann ein Schottkykontakt zwar auch zu einem p-dotierten Halbleitermaterial, wie der ersten Emitterzone 31, hergestellt werden. Zur Realisierung eines Schottkykontakts auf n-dotiertem Halbleitermaterial, wie beispielsweise der Halbleiterzone 42 gemäß 11, stehen jedoch mehrere geeignete Materialien für die Schottkyelektrode 41 zur Verfügung, wie zum Beispiele Silizide. Darüber hinaus lässt sich die Flussspannung einer Schottkydiode, die auf einem n-dotierten Halbleitermaterial basiert, anhand der Wahl des Materials der Schottkyelektrode über einen weiteren Bereich einstellen, als die Flussspannung einer Schottkydiode, die auf einem p-dotierten Halbleitermaterial basiert.
  • 12 veranschaulicht anhand eines vertikalen Querschnitts durch den Halbleiterkörper 100 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schottkydiodenstruktur. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf dem anhand von 11 dargestellten Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich von diesem Ausführungsbeispiel gemäß 11 dadurch, dass die Anschlusszone 43 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 beabstandet zu der Schottkyelektrode 41 und, und damit der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet ist und über eine Kontaktzone 432, die sich von dem vergrabenen Abschnitt 431 bis an die Vorderseite 101 erstreckt, an die Sourceelektrode 21 angeschlossen ist. Die erste Emitterzone 32 ist über eine weitere Kontaktzone 45, die sich ausgehend von der Vorderseite 101 durch die Halbleiterzone 42 bis in die Emitterzone 32 erstreckt, an die Schottkyelektrode 41 angeschlossen.
  • Die anhand der 10 bis 12 erläuterten Transistorbauelemente basieren hinsichtlich der Transistorstruktur auf dem anhand von 1 erläuterten Ausführungsbeispiel. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine Schottkydiodenstruktur, wie sie anhand der 10 bis 12 erläutert wurde, selbstverständlich bei Bauelementen mit beliebigen Transistorstrukturen verwendet werden kann. Entsprechend dem anhand von 8 erläuterten Transistorbauelement kann die Schottkydiodenstruktur auch teilweise in einem Graben des Halbleiterkörpers 100 angeordnet werden. So kann das in 8 dargestellte Bauelement auf einfache Weise dadurch modifiziert werden, dass anstelle der zweiten Emitterzone 32 die Schottkyelektrode in dem Graben angeordnet wird.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wurden, mit beliebigen Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können, auch wenn das zuvor nicht explizit erläutert wurde.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (17)

  1. Transistorbauelement, das aufweist: in einem Halbleiterkörper (100) eine Sourcezone (11) und eine Driftzone (13) eines ersten Leitungstyps; eine zwischen der Driftzone (13) und der Sourcezone (11) angeordnete Bodyzone (12) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps; eine Sourceelektrode (21), die die Sourcezone (11) und die Bodyzone (12) kontaktiert; eine Gateelektrode (15), die benachbart zu der Bodyzone (12) angeordnet und durch eine Gatedielektrikumsschicht (16) dielektrisch gegenüber der Bodyzone (12) isoliert ist; eine Diodenstruktur, die zwischen die Driftzone (13) und die Sourceelektrode (21) geschaltet ist und die aufweist: eine erste Emitterzone (31) die angrenzend an die Driftzone (13) in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist; eine an die erste Emitterzone angrenzende zweite Emitterzone (32) des ersten Leitungstyps, die an die Sourceelektrode (21) angeschlossen ist und die einen Emitterwirkungsgrad γ kleiner als 0,7 aufweist.
  2. Transistorbauelement nach Anspruch 1, bei dem der Emitterwirkungsgrad der zweiten Emitterzone (32) kleiner als 0,5 oder kleiner als 0,3 ist.
  3. Transistorbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Emitterzone (31) ein monokristallines Halbleitermaterial aufweist.
  4. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Emitterzone (31) p-dotiert ist und bei dem die zweite Emitterzone (32) n-dotiert ist und Schwefel oder Selen als Dotierstoffatome aufweist.
  5. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite Emitterzone (32) ein poröses Halbleitermaterial aufweist.
  6. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite Emitterzone (32) ein dotiertes monokristallines Halbleitermaterial mit Kristallschäden oder ein polykristallines oder amorphes Halbleitermaterial aufweist.
  7. Transistorbauelement, das aufweist: in einem Halbleiterköroper (100) eine Sourcezone (11) und eine Driftzone (13) eines ersten Leitungstyps; eine zwischen der Driftzone (13) und der Sourcezone (11) angeordnete Bodyzone (12) eines zu dem ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps; eine Sourceelektrode (21), die die Sourcezone (11) und die Bodyzone (12) kontaktiert; eine Gateelektrode (15), die benachbart zu der Bodyzone (12) angeordnet und durch eine Gatedielektrikumsschicht (16) dielektrisch gegenüber der Bodyzone (12) isoliert ist; eine Schottkydiodenstruktur, die zwischen die Driftzone (13) und die Sourceelektrode (21) geschaltet ist.
  8. Transistorbauelement nach Anspruch 7, bei dem die Schottkydiodenstruktur aufweist: eine erste Emitterzone (31) des zweiten Leitungstyps, die angrenzend an die Driftzone (13) angeordnet ist.
  9. Transistorbauelement nach Anspruch 8, bei dem die Schottkydiodenstruktur weiterhin aufweist: eine Schottkyelektrode, die die erste Emitterzone kontaktiert und die an die Sourceelektrode (21) angeschlossen ist.
  10. Transistorbauelement nach Anspruch 9, bei dem die Schottkyelektrode die Sourceelektrode bildet.
  11. Transistorbauelement nach Anspruch 7, bei dem die Schottkyelektrodenstruktur weiterhin aufweist: eine zweite Emitterzone (42) des zweiten Leitungstyps, die an die Sourceelektrode angeschlossen ist; eine die erste Emitterzone (31) und die zweite Emitterzone (42) kontaktierende Schottkyelektrode (41).
  12. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als MOSFET ausgebildet ist und das eine Drainzone des ersten Leitungstyps aufweist.
  13. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das als IGBT ausgebildet ist und das eine Drainzone des zweiten Leitungstyps aufweist.
  14. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gateelektrode (15) in wenigstens einem Graben angeordnet ist, der sich ausgehend von einer Seite (101) des Halbleiterkörpers in einer vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper hinein erstreckt, und wenigstens zwei Gateelektrodenabschnitte aufweist, die in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers (100) beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei wenigstens ein Abschnitt der Bodyzone (12) zwischen den zwei Gateelektrodenabschnitten angeordnet sind.
  15. Transistorbauelement nach Anspruch 13, bei dem ein gegenseitiger Abstand der wenigstens zwei Gateelektrodenabschnitte geringer ist als 1 μm, als 0,3 μm oder als 0,1 μm.
  16. Transistorbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gateelektrode (15) zwischen der zweiten Emitterzone (32) und der Bodyzone (12) angeordnet ist.
  17. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die zweite Emitterzone (32) in einem Graben angeordnet ist, der sich ausgehend von der ersten Seite (101) in den Halbleiterkörper (100) erstreckt, wobei die zweite Emitterzone (32) mittels einer Isolationsschicht gegenüber der Bodyzone (12) isoliert ist.
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