DE102014101130B4 - Rückwärts sperrende Halbleitervorrichtung, Halbleitervorrichtung mit lokaler Emittereffizienzmodifikation und Methode zur Herstellung einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung - Google Patents

Rückwärts sperrende Halbleitervorrichtung, Halbleitervorrichtung mit lokaler Emittereffizienzmodifikation und Methode zur Herstellung einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine rückwärtssperrende Halbleitervorrichtung, die aufweist:
eine Kollektorelektrode (320);
einen Basisbereich (120) eines ersten Leitungstyps und einen Bodybereich (115) eines zweiten, komplementären Leitungstyps, wobei der Basisbereich (120) und der Bodybereich (115) einen pn Übergang ausbilden; und
eine zwischen dem Basisbereich (120) und der Kollektorelektrode (320) angeordnete Emitterschicht (130), die Emitterzonen (131) des zweiten Leitungstyps und einen Kanal (132) des ersten Leitungstyps umfasst, wobei sich der Kanal (132) zwischen dem Basisbereich (120) und der Kollektorelektrode (320) durch die Emitterschicht (130) erstreckt, wobei in einem rückwärtssperrenden Zustand mindestens ein vertikaler Abschnitt des Kanals (132) vollständig verarmt ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • Während RC-IGBTs (reverse conducting insulated gate bipolar transistors, rückwärtsleitende Bipolartransistoren mit isolierter Gatelektrode), die monolithisch eine Freilaufdiode integrieren, die leitet, wenn der RC-IGBT in Sperrrichtung betrieben ist, typischerweise in Motorsteuerungen verwendet werden, benötigen andere Anwendungen, wie zum Beispiel Spannungsumformer, Schalter, die die Spannung in beiden Richtungen sperren. Solche nicht rückwärtsleitenden oder rückwärtssperrende IGBTs sind in der Lage, einem Kurzschlussstrom für mehrere Mikrosekunden Stand zu halten.
  • Die DE 696 34 594 T2 beschreibt einen IGBT, bei dem sich auf der Bauteilrückseite eine n+ dotierte Pufferschicht durch eine p+ dotierte Kollektorschicht erstreckt und unmittelbar an die Kollektorelektrode anschließt. Durch die Pufferschicht fließen beim Wechsel des IGBTs vom eingeschalteten Zustand in den abgeschalteten Zustand in der schwach dotierten Driftzone akkumulierte Elektronen rasch zur Kollektorelektrode ab, wodurch sich das Schaltverhalten des IGBTs gegenüber IGBTs mit durchgehender Kollektorschicht verbessert. Die DE 37 50 743 T2 bezieht sich auf einen GTO(Gate turn-off)-Thyristor mit Anodenkurzschlüssen. Die JP H07-263 669 A beschreibt die Herstellung eines IGBTs mit Anodenkurzschlüssen, wobei auf der Bauteilrückseite zunächst mittels Glasphasenabscheidung eine p-dotierte Anodenschicht ausgebildet wird. Zur Ausbildung der Anodenkurzschlüsse werden in die Anodenschicht eingebrachte Gräben mit n-dotiertem Material gefüllt.
  • Es ist wünschenswert IGBTs und andere Halbleitervorrichtungen mit verbesserter Kurzschlussfestigkeit bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine rückwärtssperrende Halbleitervorrichtung einen Basisbereich eines ersten Leitungstyps und einen Bodybereich eines zweiten, komplementären Leitungstyps, wobei der Basisbereich und der Bodybereich einen pn-Übergang ausbilden. Zwischen dem Basisbereich und einer Kollektorelektrode umfasst eine Emitterschicht Emitterzonen des zweiten Leitungstyps und mindestens einen Kanal des ersten Leitungstyps. Der Kanal erstreckt sich zwischen dem Basisbereich und der Kollektorelektrode durch die Emitterschicht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Basisbereich des ersten Leitungstyps und einen Bodybereich eines zweiten, komplementären Leitungstyps, wobei der Basisbereich und der Bodybereich einen pn-Übergang ausbilden. Zwischen dem Basisbereich und einer Kollektorelektrode umfasst eine Emitterschicht Emitterzonen des zweiten Leitungstyps und mindestens einen Kanal des ersten Leitungstyps. Der Kanal erstreckt sich zwischen dem Basisbereich und der Kollektorelektrode durch die Emitterschicht und bildet mit der Kollektorelektrode einen Schottky-Kontakt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Basisbereich eines ersten Leitungstyps und einen Bodybereich eines zweiten, komplementären Leitungstyps, wobei der Basisbereich und der Bodybereich einen pn-Übergang ausbilden. Zwischen dem Basisbereich und einer Kollektorelektrode umfasst eine Emitterschicht Emitterzonen des zweiten Leitungstyps und Kanäle des ersten Leitungstyps. Die Kanäle erstrecken sich zwischen dem Basisbereich und der Kollektorelektrode durch die Emitterschicht. In einem ersten Abschnitt der Emitterschicht ist eine Kanalbelegungsdichte niedriger als in einem zweiten Abschnitt.
  • Eine weitere Ausführungsform bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung. Dotierstoffe eines ersten Leitungstyps werden durch eine Prozessoberfläche in ein Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps eingebracht, um eine Prozessschicht zu erhalten, die sich bis zu einer ersten Tiefe in das Halbleitersubstrat erstreckt. Durch Öffnungen in einer auf der Prozessoberfläche ausgebildeten Dotierstoffmaske werden Dotierstoffe eines zweiten, komplementären Leitungstyps in das Halbleitersubstrat eingebracht, um Emitterzonen, die sich im Halbleitersubstrat bis zu einer zweiten Tiefe erstrecken, die größer ist als die erste Tiefe, und zwischen den Emitterzonen Kanäle des ersten Leitungstyps zu erhalten. Exponierte Teilbereiche der Prozessschicht oberhalb der Emitterzonen werden entfernt.
  • Nach Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen wird der Fachmann zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Abbildungen sind zum weiteren Verständnis der vorliegenden Erfindung beigefügt und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Abbildungen veranschaulichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und beabsichtigte Vorteile sind leicht zu erkennen, da sie besser zu verstehen sind mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung.
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs einer Halbleitervorrichtung mit Emitterzonen und Kanälen gemäß einer Ausführungsform.
    • 2A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die einen vollständig verarmten Kanal vorsieht.
    • 2B ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die zwischen dem Kanal und der Kollektorelektrode einen ohmschen Kontakt ausbildet.
    • 2C ist eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die zwischen dem Kanal und der Kollektorelektrode einen Schottky-Kontakt vorsieht.
    • 2D ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die einen Schottky-Kontakt und eine vom Schottky-Kontakt beabstandete Zusatzschicht vorsieht.
    • 3A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die einen Kanal mit einer lateralen Einschnürung vorsieht.
    • 3B ist eine schematische graphische Darstellung des Vorwärtssperrvermögens der Halbleitervorrichtung aus 3A.
    • 3C ist eine schematische graphische Darstellung des Rückwärtssperrvermögens der Halbleitervorrichtung aus 3A.
    • 3D ist eine schematische graphische Darstellung der elektrischen Leitfähigkeit der Halbleitervorrichtung aus 3A in Vorwärtsrichtung.
    • 4A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs eines IGBTs vom Grabentyp (trench-type IGBT) gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • 4B ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs eines Superjunction-IGBTs mit planaren Gateelektroden gemäß einer weiteren Ausführungsform.
    • 4C ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teilbereichs eines IGBT mit einem Randgebiet gemäß einer Ausführungsform, die sich auf eine lokale Variation der Emittereffizienz bezieht.
    • 5A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleitersubstrats zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung nach einer unmaskierten Implantation mit Dotierstoffen vom n-Typ.
    • 5B zeigt das Halbleitersubstrat der 5A nach einer maskierten Implantation mit Dotierstoffen vom p-Typ.
    • 5C zeigt das Halbleitersubstrat der 5B nach einem Ätzen, das die Dotierstoffmaske als Ätzmaske verwendet.
    • 5D zeigt das Halbleitersubstrat der 5C nach einem thermischen Laser Ausheilen.
    • 6 ist ein vereinfachtes Flussdiagram zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, gemäß denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es ist ersichtlich, dass andere Ausführungsbeispiele herangezogen und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass vom Ziel der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, für oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Abwandlungen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufzufassen ist. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zu Veranschaulichungszwecken. Zum Zwecke der Klarheit sind, falls nicht etwas anderes angegeben ist, einander entsprechende Elemente in den verschiedenen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe und geben das Vorhandensein der angegebenen Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch nicht das Vorhandensein zusätzlicher Elemente oder Merkmale aus. Die unbestimmten und bestimmten Artikel umfassen den Plural sowie den Singular, falls sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff oder Ausdruck „elektrisch verbunden“ beschreibt eine dauerhafte niederohmige Verbindung zwischen den elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine nieder-ohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter.
  • Die Figuren stellen durch die Angabe „-“ oder „+“ neben dem Dotiertyp relative Dotierkonzentrationen dar. Beispielsweise bedeutet „n-“ eine Dotierkonzentration, die niedriger ist als die Dotierkonzentration eines „n“-Dotiergebiets, während ein „n+“-Dotiergebiet eine höhere Dotierkonzentration als das „n“-Dotiergebiet aufweist. Dotiergebiete mit derselben relativen Dotierkonzentration müssen nicht dieselbe absolute Dotierkonzentration haben. Beispielsweise können zwei verschiedene n-Dotiergebiete die gleichen oder verschiedene absolute Dotierkonzentrationen aufweisen.
  • Die in 1 abgebildete Halbleitervorrichtung 900 kann ein BJT (bipolar junction transistor, Bipolartransistor), ein Thyristor oder jede Art von nicht-rückwärtsleitendem IGBT sein, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, IGBTs mit verbesserter Rückwärtssperrfähigkeit, die von einigen Autoren als „RB-IGBTs“ (reverse-blocking IGBT) bezeichnet werden. Im Folgenden soll der Ausdruck „rückwärtssperrend“ als Synonym für „nicht rückwärtsleitend“ verstanden werden.
  • Die Halbleitervorrichtung 900 basiert auf einem Halbleiterteilbereich 100, der aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium Si, Siliziumkarbid SiC, Germanium Ge, ein Silizium-Germaniumkristall SiGe, Galliumnitrid GaN oder Galliumarsenid GaAs ausgebildet ist. Im Halbleiterbereich 100 bilden ein Basisbereich 120 eines ersten Leitungstyps und ein oder mehrere Bodybereiche 115 des komplementären zweiten Leitungstyps einen ersten pn-Übergang pn1.
  • Eine entlang einer ersten Oberfläche 101 des Halbleiterteilbereichs 100 orientierte Steuerstruktur 111 ist elektrisch an einen Emitteranschluss E gekoppelt und steuert den Fluss mobiler Ladungsträger durch den Bodybereich 115 in den oder aus dem Basisbereich 120. Die Steuerstruktur 111 kann aus planaren oder grabenartigen IGFET-(insulated gate field effect transistor, Isolierschicht-Feldeffekttransistor) Zellen bestehen oder diese umfassen, wobei der Basisbereich 120 als Drain der IGFET-Zellen dient und eine Gateelektrode des IGFETs mit einem Gateanschluss G elektrisch verbundenen ist. Gemäß einer sich auf BJTs beziehenden Ausführungsform kann die Steuerstruktur 111 eine elektrische Verbindung zwischen einem Basisanschluss B und dem Basisbereich 120 und eine elektrische Verbindung zwischen dem Emitteranschluss E und dem Bodybereich 115 umfassen, der als der Emitter des BJTs wirksam ist.
  • Eine Kollektorelektrode 320 grenzt direkt an eine zweite Oberfläche 102 an, die der ersten Oberfläche 101 gegenüberliegt. Die Kollektorelektrode 320 besteht aus oder enthält als Hauptbestandteil Aluminium Al oder Kupfer Cu oder enthält Legierungen aus Aluminium und/oder Kupfer, zum Beispiel AlSi, AlCu oder AlSiCu. Die Kollektorelektrode 320 kann eine, zwei, drei oder mehr Teilschichten enthalten. Eine oder mehrere der Teilschichten können als Hauptbestandteil mindestens einen der Bestandteile Nickel Ni, Titan Ti, Silber Ag, Gold Au, Platin Pt und Palladium Pd enthalten. Beispielsweise kann eine Teilschicht ein Metallsilizid, Metallnitrid oder eine Metalllegierung enthalten, die Ni, Ti, Ag, Au, Pt und/oder Pd enthält.
  • Zwischen dem Basisbereich 120 und der Kollektorelektrode 320 ist eine Emitterschicht 130 angeordnet und grenzt direkt an beide an. Die Emitterschicht 130 umfasst Emitterzonen 131 des zweiten Leitungstyps und Kanäle 132 des ersten Leitungstyps. Das Dotierungsniveau in den Kanälen 132 kann genauso hoch sein wie das Dotierungsniveau im Basisbereich 120, es kann sich aber auch von ihm unterscheiden.
  • Die Emitterzonen 131 und der Basisbereich 120 bilden zweite pn-Übergänge pn2. Eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration (Dotierungsniveau) in den Emitterzonen 131 kann zum Beispiel zwischen 1016 cm-13 und 1019 cm-13 liegen.
  • Die Kanäle 132 erstrecken sich zwischen dem Basisbereich 120 und der Kollektorelektrode 320. Ein Querschnitt des Kanals 132 parallel zur zweiten Oberfläche 102 kann ein Kreis, eine Ellipse, ein Oval, ein Rechteck, zum Beispiel ein Quadrat, ohne abgerundete Ecken oder ein Rechteck, zum Beispiel ein Quadrat, mit abgerundeten Ecken sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Kanäle 132 signifikant, zum Beispiel mindestens 10-mal, länger als breit sein. Anders als komplementär dotierte Emitterkurzschlüsse zwischen Emitterzonen in RC-IGBTs sind die Kanäle 132 so konzipiert, dass sie die Emitterzonen 131 im rückwärtssperrenden Zustand nicht kurzschließen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Nettodotierstoffkonzentration in einem direkt an die Kollektorelektrode 320 angrenzenden Teilbereich des Kanals 132 ausreichend niedrig, so dass die Kanäle 132 und die Kollektorelektrode 320 Schottky-Kontakte bilden, die im rückwärtssperrenden Zustand in Sperrrichtung vorgespannt sind. In diesem Fall ist aufgrund der durch den Schottky-Kontakt induzierten Verarmungszone eine komplette lokale Verarmung nicht zwingend erforderlich. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Dimensionen und die Fremdstoffkonzentrationen des Kanals 132 so festgelegt, dass mindestens ein vertikaler Abschnitt des Kanals 132 im rückwärtssperrenden Zustand vollständig verarmt ist.
  • Die Kanäle 132 können ausreichend schmal und mit ausreichend niedriger mittlerer Nettodotierstoffkonzentration konzipiert sein, so dass sie das Vorwärtsleitungsvermögen bei Basisströmen, die in Standardanwendungen typisch für den vorwärtsleitenden Zustand sind, nicht negativ beeinflussen.
  • In einem rückwärtssperrenden Zustand können thermisch erzeugte Ladungsträger des ersten Leitungstyps die in Vorwärtsrichtung vorgespannten ersten pn-Übergange pn1 passieren oder dort generiert werden und als Basisstrom eines von den zwei pn-Übergängen pn1, pn2 gebildeten intrinsischen Bipolartransistors T1 wirksam sein. Die Kanäle 132 schließen die Emitterzonen 131 für einen Teil des Basisstroms kurz. Der kurzgeschlossene Teil des Basisstroms trägt nicht zum Steuern des Bipolartransistors T1 bei. Die Verstärkung des Bipolartransistors T1 und der durch den intrinsischen Bipolartransistor T1 bestimmte Leckstrom sind signifikant verringert. Das hat zur Folge, dass die gesamten Rückwärtssperrverluste ohne signifikanten negativen Einfluss auf die Vorwärtsleitfähigkeit und die Vorwärtssperrfähigkeit verringert sind. Dies gilt sowohl für den bestimmungsgemäßen Betrieb als auch für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen.
  • Beispielsweise werden nach einem Wechsel von einem die Halbleitervorrichtung 900 erhitzenden Kurzschlusszustand in den vorwärtssperrenden Zustand eine aus dem Vorwärtsleckstrom resultierende zusätzliche thermische Belastung und das Risiko eines thermischen Durchgehens signifikant verringert, wie weiter unten näher dargestellt.
  • Im Folgenden wird angenommen, dass der erste Leitungstyp der n-Typ und der zweite Leitungstyp der p-Typ ist. Gleichwertige Betrachtungen gelten für Ausführungsformen in denen der erste Leitungstyp der p-Typ und der zweite Leitungstyp der n-Typ ist.
  • 2A bezieht sich auf eine Ausführungsform, bei der im rückwärtssperrenden Zustand mit einer zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss angelegten negativen Spannung der gesamte Kanal 132 eines n-Kanal IGBTs 902 verarmt ist. Die negative Spannung erzeugt eine Verarmungszone RLZ entlang der zweiten pn Übergänge pn2 zwischen den p-dotierten Emitterzonen 131 und dem n-dotierten Basisbereich 120 sowie zwischen den p-dotierten Emitterzonen 131 und dem Kanal 132. Die Verarmungszonen RLZ erstrecken sich tiefer in den niedrig dotierten Kanal 132 als in die hoch dotierten Emitterzonen 131. Die einander gegenüberliegenden Seitenwänden 131a, 131b der Emitterzonen 131 zugeordneten Verarmungszonen RLZ verbinden sich miteinander, so dass der Kanal 132 im rückwärtssperrenden Zustand sowie in einem Ruhezustand, in dem zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen keine Spannung angelegt ist, vollständig verarmt ist. Keine oder nur wenige Elektronen passieren den Kanal 132.
  • Um den Kanal 132 im rückwärtssperrenden Zustand vollständig zu verarmen, ist der Nettobetrag an n-Typ Dotierstoffen (Donatoren) im Kanal 132 sehr viel geringer als der Nettobetrag an p-Typ Dotierstoffen (Akzeptoren) in an den Kanal 132 angrenzenden ersten Teilbereichen der Emitterzonen 131. Gemäß einer Ausführungsform ist die Nettodotierstoffkonzentration in dem Kanal 132 so gewählt, dass mindestens in einem vertikalen Abschnitt des Kanals 132 ein Integral über die Nettodotierstoffkonzentration entlang einer Linie parallel zu der zweiten Oberfläche 102 zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden des Kanals 132 in einer Flächenladung AC zwischen 1 × 1010 cm-2 und 1 × 1011 cm-2 ergibt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Flächenladung maximal 2 × 1010 cm-2. Gleichung (1) gibt die Flächenladung AC als Funktion des Dotierstoffprofils N(x) zwischen der ersten Seitenwand bei x = x1 (t1) und der zweiten Seitenwand bei x = x2 (t2) an. A C = ∫ x 1 x 2 N ( x ) d x
    Figure DE102014101130B4_0001
  • Der Kanal 132 kann signifikant schmaler als die Emitterzonen 131 sein. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Breite im schmalsten Teilbereich des Kanals 132 maximal 1 µm.
  • Im vorwärtssperrenden Zustand ergeben die durch Elektronenanregung im Basisbereich 120 oder entlang des in Sperrrichtung vorgespannten ersten pn Übergangs pn1 erzeugten Elektronen einen Basisstrom des intrinsischen Bipolartransistors T1 aus 1A. Verstärkt durch die Verstärkung des Bipolartransistors T1 ergibt der Basisstrom einen Leckstrom des n-Kanal IGBTs 902 im vorwärtssperrenden Zustand. Da die Ladungsträgergeneration bei bestimmungsgemäßem Betrieb unterhalb von 150 Grad Celsius niedrig ist, sind der Leckstrom und die Leckverluste ausreichend niedrig, so dass die Temperatur des IGBT nicht steigt.
  • Andererseits erfordern viele Anwendungen für rückwärtsblockierende Halbleitervorrichtungen, dass die Halbleitervorrichtung 900 einem Kurzschlusszustand für einige Mikrosekunden standhält. Während des Kurzschlusszustandes können die ohmschen Leitungsverluste die Halbleitervorrichtung bis auf 200 Grad Celsius und mehr erwärmen. Da die Ladungsträgergenerationsrate stark von der Temperatur abhängt, steigt der Basisstrom entsprechend und die aus dem angestiegenen Leckstrom resultierenden Verluste können die Temperatur der Vorrichtung weiter erhöhen, was wiederum eine weitere Erhöhung der Ladungsträgergenerationsrate zur Folge hat. Die Vorrichtung wird zunehmenden thermischen Belastungen ausgesetzt, die die Vorrichtung noch einige Millisekunden nachdem die Vorrichtung aus dem Kurzschlusszustand zurückgekehrt ist, zerstören können (thermisches Weglaufen, thermal runaway). Die Minimaltemperatur, bei der die aus der erhöhten Ladungsträgergenerationsrate resultierenden Verluste höher sind als die thermische Energie, die die Vorrichtung in die Umgebung abführen kann, ergibt die kritische Temperatur, die die Vorrichtung während des Kurzschlusszustandes nicht erreichen darf.
  • Die Kanäle 132 führen die Ladungsträger ab ohne dass an den zweiten pn-Übergängen pn2 ein Spannungsabfall induziert wird, der ausreichend hoch wird, um die Injektion von Löchern in den Basisbereich 120 auszulösen. In anderen Worten, die Kanäle 132 reduzieren die Verstärkung des intrinsischen Bipolartransistors T1 so weit, dass der Leckstrom bei gleicher Ladungsträgergenerationsrate der Leckstrom verringert wird. Da verringert wird, kann der Leckstrom ein thermisches Durchgehen erst bei einer höheren Temperatur auslösen. Demnach wird die kritische Temperatur zu höheren Werten hin verschoben. Da die Vorrichtung es erlaubt höhere Temperaturen zu erreichen, kann die Vorrichtung während des Kurzschlusszustandes mehr thermische Energie absorbieren. Daraus folgt, dass die Vorrichtung bei gleichem maximalen Kurzschlussstrom für eine längere Kurzschlussdauer oder bei gleicher Kurzschlussdauer für einen höheren Kurzschlussstrom spezifiziert werden kann.
  • Während in konventionellen n-Kanal IGBT Vorrichtungen der Elektronenkanal der Steuerstruktur 111 so konzipiert ist, dass der maximale Kurzschlussstrom die Vorrichtung nicht bis zur kritischen Temperatur erwärmen kann, geben die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehr Spielraum für das Anpassen des Elektronenkanals an andere Anwendungserfordernisse.
  • In 2B weist ein Kanal 132 einer n-Kanal Halbleitervorrichtung 900 einen niedrig dotierten Teilbereich 132a und einen zwischen dem niedrig dotierten Teilbereich 132a und der Kollektorelektrode 320 angeordneten hochdotierten Teilbereich 132b auf. Die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in dem hochdotierten Teilbereich 132b kann zwischen 1 × 1019 cm-3 und 5 × 1020 cm-3, zum Beispiel etwa 5 × 1019 cm-3, betragen, so dass der Kanal 132 und die Kollektorelektrode 320 einen ohmschen Kontakt ausbilden. Die Breite w1 des Kanals 132 ist so gewählt, dass sich im rückwärtssperrenden Zustand entlang vertikaler Teilbereiche des zweiten pn Übergangs pn2 im Kanal 132 gebildete Verarmungszonen verbinden und der Kanal 132 die Rückwärtssperrfähigkeit nicht beeinträchtigt.
  • In 2C grenzt ein niedrig dotierter Kanal 132 einer n-Kanal Halbleitervorrichtung 900 direkt an die Kollektorelektrode 320 an. Die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in dem Kanal in einem direkt an die Kollektorelektrode 320 angrenzenden Bereich kann zwischen 1 × 1012 cm-3 und 1 × 1017 cm-13 betragen, zum Beispiel etwa 1 × 1014 cm-3, so dass die Grenzfläche zwischen dem Kanal 132 und der Kollektorelektrode 320 als Schottky-Kontakt SD wirksam ist. Die mittlere Nettodotierstoffkonzentration im Kanal 132 ist signifikant niedriger als die Nettodotierstoffkonzentration in Emitterkurzschlüssen in RC-IGBTs.
  • Im Rückwärtssperrzustand spannt eine zwischen der Kollektorelektrode und dem Emitteranschluss angelegte negative Spannung den Schottky-Kontakt SD rückwärts vor. Der Schottky-Kontakt SD wirkt als eine rückwärts vorgespannte Diode, so dass der Kanal 132 sperrt und die Rückwärtssperrfähigkeit nicht beeinträchtigt. Die Ausführungsform aus 2C bietet niedrigere Rückwärtssperrströme und eine niedrigere Rückwärtsleitfähigkeit als die Ausführungsform aus 2B. Die Rückwärtssperrfähigkeit des Schottky-Kontakts SD hängt nicht von der Kanalweite w1 ab. Daher kann die Kanalweite w1 erhöht werden, so dass der Vorwärtsleckstrom weiter verringert werden kann. Die maximale Dotierstoffkonzentration im Kanal 132, die einen Schottky-Kontakt ermöglicht, hängt vom Material einer direkt an die Emitterschicht 130 angrenzenden Teilschicht der Kollektorelektrode 320 ab.
  • Gemäß einer Ausführungsform grenzt eine Teilschicht, die aus Aluminium besteht oder Aluminium enthält, direkt an die Emitterschicht 130 an und die mittlere Nettodotierstoffkonzentration im Kanal 130 beträgt zwischen 1012 cm-3 und 1019 cm-3, zum Beispiel 1014 cm-3.
  • Die Ausführungsform aus 2D bildet zwischen dem schwach dotierten Teilbereich 132a und dem Schottky-Kontakt SD eine Zusatzschicht 132c des Leitungstyps des Kanals 132 aus, um einen direkten Kontakt zwischen der Raumladungsschicht und dem Schottky-Kontakt SD zu vermeiden. Die Zusatzschicht 132c kann zwischen dem Schottky-Kontakt SD und dem schwach dotierten Teilbereich 132a implantiert sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die Zusatzschicht 132c direkt an den Schottky-Kontakt SD angrenzen, wobei das Dotierungsniveau der Zusatzschicht 132c höher als das Dotierungsniveau des schwach dotierten Teilbereichs 132a und niedriger als ein zum Ausbilden eines Schottky-Kontakts SD maximal erlaubtes Dotierungsniveau ist. Die Dotierungskonzentration der Zusatzschicht 132c kann zum Beispiel zwischen 1015 und 1019 Donatoren pro cm3 liegen. Das Dotierungsniveau der zusätzlichen Schicht 132 kann in vertikaler Richtung konstant sein oder variieren.
  • Gemäß der dargestellten Ausführungsform trennt eine schwach dotierte Abstandszone 132d vom Leitungstyp des Kanals 132 die Zusatzschicht 132c innerhalb des Kanals 132 vom Schottky-Kontakt SD. Ein Dotierungsniveau der Abstandszone 132d kann etwa gleich dem Dotierungsniveau im schwach dotierten Teilbereich 132a sein. Das Dotierungsniveau in der Zusatzschicht 132c kann höher sein als für einen Schottky-Kontakt erforderlich.
  • Die 3A bis 3D beziehen sich auf einen n-Kanal IGBT 902, der einen Kanal 132 mit einem kreisförmigen Querschnitt und mit einer lateralen Einschnürung in einem vertikalen Abschnitt V1 im schwach dotierten Teilbereich 132a ausbildet, wie es in 3A dargestellt ist. Der stark dotierte Teilbereich 132b hat einen zweiten Durchmesser d2, der größer ist als der erste Durchmesser d1 des schwach dotierten Teilbereichs 132a, zum Beispiel mindestens das Doppelte des ersten Durchmessers d1. Gemäß der dargestellten Ausführungsform beträgt der zweite Durchmesser d2 etwa das Fünffache des ersten Durchmessers d1. Bei einem ersten Durchmesser d1 des schmalsten Teilbereichs des schwach dotierten Teilbereichs 132a von maximal 1 µm und bei einer Flächenladung AC von etwa 1,44 × 1010 cm-2, wie in Gleichung (1) definiert, ist der vertikale Abschnitt V1 vollständig verarmt, so dass die Rückwärtssperrfähigkeit erhalten bleibt.
  • Die 3B zeigt den Einfluss der Kanäle 132 aus 3A im vorwärtssperrenden Zustand. Ein Satz von Kurven 401 bis 406 trägt den Vorwärtsleckstrom ILF gegen die zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen angelegte KollektorEmitterspannung VCE bei 200 Grad Celsius auf. Kurve 401 stellt ILF für einen Durchmesser d2 des stark dotierten Kanalteilbereichs 132b von 0,01 µm grafisch dar und kann eine Vorrichtung ohne Kanäle annähern. Kurve 402 stellt ILF für einen Durchmesser d2 von 1,22 µm, Kurve 403 für einen Durchmesser d2 von 1,3 µm, Kurve 404 für einen Durchmesser d2 von 1,4 µm, Kurve 405 für einen Durchmesser d2 von 1,6 µm und Kurve 406 stellt den Leckstrom für den Durchmesser d2 von 2,0 µm grafisch dar. Bei einem Durchmesser d3 von 1,3 µm, der einem ersten Durchmesser d1 des schwach dotierten Kanalteilbereichs 132a von etwa 0,5 µm entspricht, ist der Leckstrom um etwa 50% verringert. Eine weitere Verbreiterung der Kanalöffnung zeigt einen lediglich kleinen Einfluss auf den Leckstrom.
  • In 3C trägt ein Satz von Kurven 411 bis 416 den Rückwärtsleckstrom ILR gegen die Kollektoremitterspannung VCE für die durch die Kurven 401 bis 406 aus 3B gegebenen Durchmesser bei 200° Celsius auf. Je größer die Querschnittsfläche des Kanals ist, desto größer sind der Rückwärtssperrstrom und die Rückwärtsleitfähigkeit. Der Anstieg des Rückwärtsleckstroms kann begrenzt werden, indem man die Kanäle ausreichend eng hält, zum Beispiel durch Ausbilden der Kanäle 132 mit einem engsten Durchmesser von maximal 1 µm.
  • In 3D trägt eine Kurve 424 den Durchlassstrom IFwd gegen die Kollektoremitterspannung VCE für einen Durchmesser d2 von 1,4 µm auf und eine Kurve 426 trägt IFwd gegen VCE für ein d2 von 2 µm bei 200° Celsius auf. Im Durchlasszustand stellen die Kanäle 132 einen hochohmigen Pfad parallel zu den Emitterzonen 131 dar. Bei Werten für den zweiten Durchmesser d2 unterhalb von 1,6 µm, siehe Kurve 425, und einer Flächenladung AC in den Kanälen 123, wie definiert in Gleichung (1) unterhalb von 1,44 × 1010 cm-2, erzeugt bereits ein Durchlassstrom von einigen mA einen Spannungsabfall über den Kanal 132, der der Diodenspannung des zweiten pn Übergangs pn2 entspricht, und ein IGBT snap-back Effekt ist nicht wahrnehmbar. Bei einem Durchmesser d2 von 2 µm tritt ein signifikanter snap-back Effekt auf.
  • 4A zeigt einen rückwärtssperrenden IGBT 902 mit einem Halbleiterteilbereich 100, der eine erste Oberfläche 101 und eine zweite zur ersten Oberfläche 101 parallele Oberfläche 102 aufweist. Der Halbleiterteilbereich 100 ist aus einem einkristallinen Halbleitermaterial ausgebildet, zum Beispiel Silizium Si, Siliziumkarbid SiC, Germanium Ge, einem Silizium-Germanium Kristall SiGe, Gallium Nitrid GaN oder Gallium Arsenid GaAs. Ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Oberfläche 101, 102 ist so gewählt, dass eine vorgegebene Sperrspannungsfähigkeit erreicht wird, und kann mindestens 40 µm betragen, zum Beispiel mindestens 175 µm. Andere Ausführungsformen können Halbleiterteilbereiche 100 mit einer Dicke von mehreren 100 µm vorsehen.
  • Der Halbleiterteilbereich 100 kann eine rechteckige Form mit einer Kantenlänge im Bereich von einigen Millimetern haben. Die Normale zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 definiert eine vertikale Richtung und Richtungen orthogonal zur Normalen sind laterale Richtungen.
  • Im Halbleiterteilbereich 100 grenzt eine Emitterschicht 130 direkt an die zweite Oberfläche 102 an. Die Emitterschicht 130 umfasst p-dotierte Emitterzonen 131 und n-dotierte Kanäle 132. Die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in den Emitterzonen übertrifft die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in den Kanälen 132 um mindestens das Zehnfache. Zum Beispiel können die mittleren Nettodotierstoffkonzentrationen in den Emitterzonen 131 mindestens 1 × 1017 cm-3, zum Beispiel mindestens 5 × 1017 cm-3, betragen, wohingegen die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in den Kanälen 132 maximal 1 × 1016 cm-3 beträgt, zum Beispiel maximal 5 × 1015 cm-3.
  • Eine Kollektorelektrode 320 grenzt direkt an die zweite Oberfläche 102 an und ist elektrisch mit den Emitterzonen 131 verbunden. Die Kollektorelektrode 320 kann mindestens eines der Materialien Aluminium Al, Kupfer Cu als Hauptbestandteil umfassen. Die Kollektorelektrode umfasst zum Beispiel eine Legierung aus Aluminium Al und Kupfer Cu. Die Kollektorelektrode 320 kann Silizium Si als weiteren Hauptbestandteil enthalten oder nicht. Weiterhin können dünne Diffusionsbarrieren wie zum Beispiel Ti, TiW, TiN, Ta, TaN, W direkt auf der zweiten Oberfläche 102 vorgesehen sein.
  • Gemäß anderer Ausführungsformen kann die Kollektorelektrode 320 eine, zwei, drei oder mehrere leitende Teilschichten umfassen, wobei jede Teilschicht mindestens einen der Bestandteile Nickel Ni, Titan Ti, Silber Ag, Gold Au, Platin Pt, und Palladium Pd als Hauptbestandteil enthalten kann. Beispielsweise kann eine Teilschicht ein Metallsilizid, ein Metallnitrid oder eine Metalllegierung enthalten, die Ni, Ti, Ag, Au, Pt, und/oder Pd enthält.
  • Im Halbleiterteilbereich 100 bilden die Emitterzonen 131 und ein n-dotierter Basisbereich 120 pn Übergänge. Der Basisbereich 120 kann eine n-dotierte Feldstoppschicht 129 und eine n-dotierte Driftzone 121 umfassen. Die Feldstoppschicht 129 grenzt direkt an die Emitterschicht 130 an. Eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 120 ist niedriger als in den Emitterzonen 131. Beispielsweise ist die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in den Emitterzonen 131 mindestens 10-mal höher als die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 129. Gemäß einer Ausführungsform liegt die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 129 zwischen 5 × 1014 cm-3 und 1 × 1017cm-3.
  • Die schwach n-dotierte Driftzone 121 bildet mit der Feldstoppschicht 129 eine Grenzfläche, welche im Wesentlichen parallel zur ersten und zweiten Oberfläche 101, 102 ist. Die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 ist niedriger als in der Feldstoppschicht 129. Gemäß einer Ausführungsform ist die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 129 mindestens 5-mal höher als die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121. Die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann beispielsweise zwischen 1 × 1012 cm-13 und 1 × 1014 cm-13 betragen.
  • Von der ersten Oberfläche 101 erstrecken sich vergrabene Gatestrukturen 210 in den Halbleiterteilbereich 100, wobei ein dielektrischer Liner 205 die vergrabenen Gatestrukturen 210 vom Halbleitermaterial des Halbleiterteilbereichs 100 trennt. Die vergrabenen Gatestrukturen 210 können in einem regelmäßigen Muster angeordnete parallele Streifen sein. Gemäß anderen Ausführungsformen können die lateralen Querschnittsflächen der vergrabenen Gatestrukturen 210 Kreise, Ellipsoide, Ovale, Rechtecke, zum Beispiel Quadrate, mit oder ohne abgerundete Ecken, oder Ringe sein. Zum Beispiel können zwei vergrabene Gatestrukturen 210 eine Anordnung mit zwei konzentrischen Ringen bilden, wobei die Ringe Kreise, Ellipsoiden, Ovale, Rechtecke, zum Beispiel Quadrate mit abgerundeten Ecken, sein können.
  • Zwischen den vergrabenen Gatestrukturen 210 können IGFET-(insulated gate field effekt transistor, Isolierschicht-Feldeffekttransistor) Zellen eine Steuerstruktur 111 darstellen, die eine Ladungsträgerinjektion in den Basisbereich 120 steuern. In jeder IGFET-Zelle erstreckt sich ein p-Typ Bodybereich 115 zwischen den zwei benachbarten vergrabenen Gatestrukturen 210 oder innerhalb einer ringförmigen vergrabenen Gatestruktur 210. Die Bodybereiche 115 bilden pn-Übergänge mit der Driftzone 121 aus. In jeder IGFET-Zelle können sich mindestens ein, zum Beispiel zwei, n-Typ Sourcegebiete 110 von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteilbereich 100 erstrecken. Zwischen den Sourcegebieten 110 und den Bodybereichen 115 sind ein oder zwei p-Typ Kontaktgebiete 117 ausgebildet, die direkt an beide angrenzen. Eine maximale Nettodotierstoffkonzentration in den Kontaktgebieten 117 ist signifikant höher als eine maximale Nettodotierstoffkonzentration in den Bodybereichen 115. Beispielsweise ist die maximale Nettodotierstoffkonzentration in den Kontaktgebieten 117 mindestens das Zehnfache der maximalen Nettodotierstoffkonzentration in den Bodybereichen 115.
  • Jedes Sourcegebiet 110 bildet einen pn-Übergang mit einem Kontaktgebiet 117 und einem Bodybereich 115 aus. Die Sourcegebiete 110 grenzen direkt an den dielektrischen Liner 205 an. Ein an die vergrabenen Gatestrukturen 210 angelegtes Potential steuert eine Minoritätsladungsträgerverteilung in einem Kanalteilbereich der Bodybereiche 115 nahe am dielektrischen Liner 205. Wenn in einem vorwärtsvorgespannten Modus das an die vergrabene Gatestruktur 210 angelegte Gatepotential einen vorgegebenen Spannungsschwellwert überschreitet, bildet sich in den Bodybereichen 115 entlang der isolierten Gateelektrode ein n-Typ Inversionskanal und zwischen den Sourcegebieten 110 und der Kollektorelektrode 320 fließt ein Vorwärtsstrom.
  • Eine Emitterelektrode 310 erstreckt sich durch Öffnungen einer dielektrischen Struktur 200 und grenzt direkt an die erste Oberfläche 101 an. Die dielektrische Struktur 200 isoliert die Emitterelektrode 310 dielektrisch von den vergrabenen Gatestrukturen 210. Die Emitterelektrode 310 kann aus Aluminium Al, Kupfer Cu, einer Aluminium-Kupfer-Legierung, jeweils mit oder ohne Silizium, ausgebildet sein.
  • Kanäle 132 sind gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet. Die Kanäle 132 verbessern die Kurzschlussfähigkeit des rückwärtssperrenden n-Kanal IGBT 902.
  • Die Ausführungsform aus 4B entspricht weitestgehend der Ausführungsform aus 4A. Anstelle von vergrabenen Gatestrukturen 210 sieht die Ausführungsform planare Gateelektrodenstrukturen 220 vor, die außerhalb des Halbleiterteilbereichs 100 ausgebildet und durch den dielektrischen Liner 205 dielektrisch von dem Halbleiterteilbereich 100 isoliert sind. Außerdem bildet die Driftzone 121 eine Superjunctionstruktur mit strukturell mit den Bodybereichen 115 verbundenen vertikalen p-dotierten Säulen 125 aus. Die p-dotierten Säulen 125 wechseln sich mit n-dotierten Säulen 126 ab.
  • Die Säulen 125, 126 können in einem regelmäßigen Muster angeordnete parallele Streifen sein. Gemäß anderen Ausführungsformen sind die lateralen Querschnitte entweder der p-dotierten oder der n-dotierten Säulen 125, 126 oder von beiden Kreise, Ellipsoide, Ovale oder Rechtecke, zum Beispiel Quadrate, mit oder ohne abgerundete Ecken, oder Ringe. Beispielsweise kann eine ringförmige p-dotierte Säule von einer konzentrischen, ringförmigen n-dotierten Säule eingefasst sein oder umgekehrt, wobei die Ringe Kreise, Ellipsoide, Ovale, oder Rechtecke, zum Beispiel Quadrate, mit abgerundeten Ecken, sein können.
  • Aufgrund eines Kompensationseffekts zwischen den n- und p-Typ Säulen 125, 126 wird auch für vergleichsweise hohe Dotierstoffkonzentrationen in der Driftzone 121 eine hohe Rückwärtssperrspannung erzielt. Weitere Ausführungsformen einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung können sich auf MCTs (metaloxide semiconductor thyristors), MOS gesteuerte Thyristoren oder bipolare Transistoren beziehen.
  • Die Kanäle 132 können in der Emitterschicht gleichförmig verteilt sein, so dass die Emittereffizienz über die gesamte Emitterschicht 130 einheitlich ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen justiert eine lokale Modulation der Emittereffizienz durch Variieren der Verteilung der Kanäle 132 in der Emitterschicht 130 die Eigenschaften der Vorrichtung. Dadurch kann ein geeignetes Anpassen der Dotierstoffmaske der Kanäle 132 eine zusätzliche Dotierstoffimplantation ersetzen, wie sie konventionelle Methoden zur Modifikation der lokalen Emittereffizienz vorsehen.
  • Die 4C bezieht sich auf einen rückwärtssperrenden n-Kanal IGBT 902 mit einem das Zellengebiet 510 einfassenden Randgebiet 590. Das Zellengebiet 510 umfasst IGFET-Zellen 501, 502 mit Sourcegebieten 110, Bodybereichen 115, Kontaktzonen 117 und einem Basisbereich 111 wie oben beschrieben. Wenn der n-Kanal IGBT 902 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und das Potenzial an den vergrabenen Gatestrukturen 210 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, fließt ein Vorwärtsstrom zwischen der Emitterelektrode 310 und der Kollektorelektrode 320 näherungsweise ausschließlich im Zellengebiet 510 in einer vertikalen Richtung.
  • Das Randgebiet 590 trennt das Zellengebiet 510 von einer äußeren Oberfläche 103 des Halbleiterteilbereichs 100, die zu der ersten und zweiten Oberfläche 101, 102 geneigt ist. Das Randgebiet 590 kann eine Abschlussstruktur umfassen, zum Beispiel eine p-dotierte JTE (junction termination extension) Zone 119 und eine Feldplattenstruktur, wobei ein Teilbereich der Emitterelektrode die JTE Zone 119 überdeckt und ein Teilbereich der dielektrischen Struktur 200 die JTE Zone 119 und die Emitterelektrode 310 voneinander trennt. Das Randgebiet 590 enthält keine vollständigen und funktionsfähigen IGFET-Zellen 501, 502 und im vorwärtsleitenden Zustand fließt im Randgebiet 590 näherungsweise kein Vorwärtsstrom.
  • Die Emitterschicht 130 kann sowohl im Zellengebiet 510 als auch im Randgebiet 590 Kanäle 132 aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform unterscheidet sich die Kanalbelegungsdichte in einem ersten Abschnitt 410 von der Kanalbelegungsdichte in einem zweiten Abschnitt 420. Beispielsweise ist die Kanalbelegungsdichte im ersten Abschnitt 410 niedriger als im zweiten Abschnitt 420. Der erste Abschnitt 410 kann ein Teilbereich des Zellengebiets 510 sein, kann das Zellengebiet 510 umfassen oder kann mit dem Zellengebiet 510 übereinstimmen. Der zweite Abschnitt 420 kann ein Teilbereich des Randgebiets 590 sein, beispielsweise ein an die äußere Oberfläche 130 angrenzender äußerer Teilbereich, kann das Randgebiet 590 umfassen und kann das Zellengebiet 510 mit zum Beispiel bis zu zwei Diffusionslängen überlappen, oder kann mit dem Randgebiet 590 übereinstimmen.
  • Gemäß der dargestellten Ausführungsform kann die Kanalbelegungsdichte in einem mittleren Abschnitt 415 zwischen dem ersten Abschnitt 410 und dem zweiten Abschnitt 420 monoton sinken. Der mittlere Abschnitt 415 kann ein Teilbereich des Zellengebiets 510 sein, ein Teilbereich des Randgebiets 590 sein oder kann Teilbereiche von Zellen- und Randgebiet 510, 590 umfassen. Beispielsweise kann der mittlere Abschnitt 415 das Zellengebiet 510 mit bis zu zwei Diffusionslängen überlappen.
  • Die hohe Anzahl an Kanälen 132 im zweiten Abschnitt 420 verringert die Emittereffizienz im Randgebiet 590 und ersetzt konventionelle HDR (high dynamic robustness) Strukturen, die darauf abzielen, die Anzahl der mobilen Ladungsträger im Randgebiet 590 zu verringern. Wo konventionelle Ansätze mindestens einen zusätzlichen Implantschritt zum Ausbilden der HDR Strukturen vorsehen, kommt die vorliegende Ausführungsform mit einer Anpassung der Dotierstoffmaske für die Kanäle 132 aus. Zusätzlich vereinfacht die Ausführungsform das Ausbilden einer graduellen Anpassung der Emittereffizienz und verringert dadurch weiter das Risiko des Auftretens von lokalen Stromfilamenten, die die Vorrichtung beschädigen können.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind erste und zweite Abschnitte 410, 420 mit unterschiedlicher Kanalbelegungsdichte und Emittereffizienz im Zellengebiet 410 gemäß eines LEBE (locally enhanced backside emitter) Ansatzes vorgesehen. Wo konventionelle LEBE Ansätze einen steilen Übergang zwischen einem Bereich mit niedriger Emittereffizienz und einem Bereich mit hoher Emittereffizienz vorsehen, die am steilen Übergang ein elektrisches Feld zur Folge haben, das seine Richtung im Kurzschlusszustand ändern kann, was wiederum einen lokal erhöhten Strom zur Folge hat, der möglicherweise die Vorrichtung beschädigt, ermöglicht die Ausführungsform eine graduelle Änderung der Emittereffizienz, die wiederum einen gleichmäßigen elektrischen Feldgradienten bewirkt, der das Risiko von lokalen, die Vorrichtung schädigenden Strömen im Kurzschlusszustand verringert. Die erhöhte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung kann durch eine einfache Änderung der Dotierstoffmaske erreicht werden und benötigt keine zusätzlichen Prozessschritte. Zusätzlich kann das Kanalkonzept HDR- und LEBE- Konzepte ohne zusätzliche Prozessschritte kombinieren.
  • Eine lokale Änderung der Emittereffizienz durch Einführen der Kanäle 132 kann in rückwärtssperrenden und rückwärtsleitenden Halbleitervorrichtungen, zum Beispiel RC-IGBTs, realisiert werden.
  • Die 5A bis 5D beziehen sich auf die Herstellung von rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtungen mit Kanälen 132. In eine Prozessoberfläche 102a eines schwach n-dotierten Halbleitersubstrats 100a werden n-Typ Dotierstoffe bei vergleichsweise hohen Implantationsdosen eingebracht, zum Beispiel implantiert. Die Implantationsdosis kann höher sein als beispielsweise 1 × 1016 cm-2. Die Implantationsenergie wird so gewählt, dass eine nahe der Prozessoberfläche 102a bis zu einer ersten Tiefe stark n-dotierte Prozessschicht 438 gebildet wird. Die Prozessschicht 438 erstreckt sich maximal 1 µm, zum Beispiel weniger als 200 nm, in den Halbleiterteilbereich 100.
  • Die 5A zeigt die stark dotierte Prozessschicht 438. Eine Maskenschicht wird auf der Prozessoberfläche 102a abgeschieden und durch fotolithographische Mittel strukturiert, wobei eine Dotierstoffmaske mit Maskenabschnitten 532 ausgebildet wird. Die Maskenabschnitte 532 können beispielsweise parallele Stege oder gleichmäßig beabstandete Säulen sein. Durch die exponierten Teilbereiche der Prozessoberfläche 102 werden p-Typ Dotierstoffe bis zu einer zweiten Tiefe, die größer als die erste Tiefe ist, eingebracht, zum Beispiel implantiert.
  • Die 5B zeigt Teilbereiche der Prozessschicht 438 aus 5A, die unterhalb der Maskenabschnitte 532 hochdotierte Teilbereiche 132a der Kanäle 132 bilden. Zwischen den Maskenabschnitten 532 erstrecken sich unterhalb der Prozessschicht 438 p-Typ Emitterzonen 131 in den Halbleiterteilbereich 100. Exponierte Teilbereiche der Prozessschicht 438 sind stark n- und p-dotiert. Die stark n- und p-dotierten Teilbereiche der Prozessschicht 438 oberhalb der Emitterzonen 131 werden entfernt, zum Beispiel durch einen Ätzprozess, der die Dotierstoffmaskenabschnitte 532 als Ätzmaske nutzt.
  • 5C zeigt die durch den vorhergegangenen Ätzprozess freigelegten verbleibenden hochdotierten Emitterzonen 131. Ein LTA (laser thermal anneal) wird durchgeführt, wobei das Substrat 100 aufgeheizt wird und in einer Zieltiefe m1 in Bezug auf die zweite Oberfläche 102 angeschmolzen werden kann. Die Zieltiefe m1 liegt zwischen der zweiten Oberfläche 102 und einem durch die zweite Tiefe m2 gegebenen vergrabenen Rand der Emitterzonen 131. Die Zieltiefe m1 kann beispielsweis etwa die Hälfte der zweiten Tiefe m2 sein. Der Anneal diffundiert die Dotierstoffe des zweiten Leitungstyps aus den Emitterzonen 131 in die angrenzenden Teilbereiche der schwach dotierten Kanalteilbereich 132a ein.
  • 5D zeigt die fertiggestellten Kanäle 132 mit lateralen Einschnürungen, deren Abstand zu der zweiten Oberfläche 102 durch die Zieltiefe m1 des LTA gegeben ist.
  • 6 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung. Dotierstoffe eines ersten Leitungstyps werden durch eine Prozessoberfläche in ein Halbleitersubstrat des ersten Leitungstyps eingebracht, um eine sich in das Halbleitersubstrat bis zu einer ersten Tiefe erstreckenden Prozessschicht zu erhalten (602). Durch Öffnungen in einer auf der Prozessoberfläche vorgesehenen Dotierstoffmaske, werden Dotierstoffe eines zweiten, komplementären Leitungstyps in das Halbleitersubstrat eingebracht, um sich in das Halbleitersubstrat bis zu einer zweiten Tiefe erstreckende Emitterzonen zu erhalten, wobei die zweite Tiefe größer ist als die erste Tiefe (604). Zwischen den Emitterzonen werden Kanäle des ersten Leitungstyps gebildet. Exponierte Teilbereiche der Prozessoberfläche oberhalb der Emitterzonen werden entfernt (606). Dieser Prozessschritt kann auf ein Dünnen des Halbleitersubstrats auf eine Zieldicke folgen.

Claims (23)

  1. Eine rückwärtssperrende Halbleitervorrichtung, die aufweist: eine Kollektorelektrode (320); einen Basisbereich (120) eines ersten Leitungstyps und einen Bodybereich (115) eines zweiten, komplementären Leitungstyps, wobei der Basisbereich (120) und der Bodybereich (115) einen pn Übergang ausbilden; und eine zwischen dem Basisbereich (120) und der Kollektorelektrode (320) angeordnete Emitterschicht (130), die Emitterzonen (131) des zweiten Leitungstyps und einen Kanal (132) des ersten Leitungstyps umfasst, wobei sich der Kanal (132) zwischen dem Basisbereich (120) und der Kollektorelektrode (320) durch die Emitterschicht (130) erstreckt, wobei in einem rückwärtssperrenden Zustand mindestens ein vertikaler Abschnitt des Kanals (132) vollständig verarmt ist.
  2. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei der erste Leitungstyp der n-Typ ist und mindestens ein vertikaler Abschnitt des Kanals (132) vollständig verarmt ist, wenn zwischen der Kollektorelektrode (320) und dem Basisbereich (120) eine negative Spannung angelegt ist.
  3. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, die aufweist: einen zum Steuern eines Stroms durch den Bodybereich (115) ausgelegten Steuerteilbereich.
  4. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kanal (132) in einem Ruhezustand bei zwischen der Kollektorelektrode (320) und dem Bodybereich (115) angelegten 2V vollständig verarmt ist.
  5. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei im vertikalen Abschnitt des Kanals (132) ein Integral über die Nettodotierstoffkonzentration im Kanal (132) entlang einer Linie parallel zu der zweiten Oberfläche eine maximale Flächenladung von höchstens 5 × 1010 cm-2 ergibt.
  6. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration im Kanal (132) zwischen 5 × 1013 cm-3 und 1 × 1015 cm-3 beträgt.
  7. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Breite eines schmälsten vertikalen Abschnitts des Kanals (132) höchstens 1 µm beträgt.
  8. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kanal (132) einen schwach dotierten Teilbereich (132a) und zwischen dem schwach dotierten Teilbereich (132a) und der Kollektorelektrode (320) einen stark dotierten Teilbereich (132b) aufweist.
  9. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kanal (132) einen direkt an die Kollektorelektrode (320) angrenzenden schwach dotierten Teilbereich aufweist.
  10. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, wobei der schwach dotierte Teilbereich und die Kollektorelektrode (320) einen Schottky-Kontakt (SD) ausbilden.
  11. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Kanal (132) zwischen dem schwach dotierten Teilbereich (132a) und dem Schottky-Kontakt (SD) eine zusätzliche Schicht (132c) aufweist und eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der zusätzlichen Schicht größer ist als eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration im schwach dotierten Teilbereich.
  12. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Kanal (132) eine Abstandszone (132d) zwischen der zusätzlichen Schicht (132c) und dem Schottky-Kontakt (SD) aufweist und eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der zusätzlichen Schicht größer ist als eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Abstandszone.
  13. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Kanalbelegungssdichte in einem ersten Abschnitt (410) der Emitterschicht (130) niedriger ist als in einem zweiten Abschnitt (420) der Emitterschicht (130).
  14. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die ersten und zweiten Abschnitte (410, 420) in einem Zellengebiet (510) vorgesehen sind.
  15. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 14, wobei der erste Abschnitt (410) in einem Zellengebiet (510) und der zweite Abschnitt (420) in einem das Zellengebiet (510) umgebenden Randgebiet (590) vorgesehen ist.
  16. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, wobei in einem Übergangsabschnitt zwischen dem ersten (410) und zweiten Abschnitt (420) die Kanalbelegungsdichte in Richtung des zweiten Abschnitts (420) stetig abnimmt.
  17. Eine Halbleitervorrichtung, die aufweist: eine Kollektorelektrode (320); einen Basisbereich (120) eines ersten Leitungstyps und einen Bodybereich (115) eines zweiten, komplementären Leitungstyps, wobei der Basisbereich (120) und der Bodybereich (115) einen pn Übergang ausbilden; und eine zwischen dem Basisbereich (120) und der Kollektorelektrode (320) angeordnete Emitterschicht (130), die Emitterzonen (131) des zweiten Leitungstyps und Kanäle (132) des ersten Leitungstyps aufweist, wobei sich die Kanäle (132) zwischen dem Basisbereich (120) und der Kollektorelektrode (320) durch die Emitterschicht (130) erstrecken, wobei eine Kanalbelegungsdichte in einem ersten Abschnitt (410) der Emitterschicht (130) niedriger ist als in einem zweiten Abschnitt (420).
  18. Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Kanäle (132) Schottky-Kontakte mit der Kollektorelektrode (320) ausbilden.
  19. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 18, wobei die ersten und zweiten Abschnitte (410, 420) in Zellengebieten (510) vorgesehen sind.
  20. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, wobei der erste Abschnitt (410) in einem Zellengebiet (510) und der zweite Abschnitt (420) in einem das Zellengebiet (510) umgebenden Randgebiet (590) ausgebildet ist.
  21. Die Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 20, wobei in einem Übergangsabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (410, 420) die Kanalbelegungsdichte stetig in Richtung des zweiten Abschnitts (420) abnimmt.
  22. Ein Verfahren zum Herstellen einer rückwärtssperrenden Halbleitervorrichtung, das aufweist: Einbringen von Dotierstoffen eines ersten Leitungstyps in ein Halbleitersubstrat (100a) des ersten Leitungstyps durch eine Prozessoberfläche (102a), wobei eine Prozessschicht (438) erhalten wird, die sich bis zu einer ersten Tiefe in das Halbleitersubstrat (100a) erstreckt; Einbringen von Dotierstoffen eines zweiten, komplementären Leitungstyps in das Halbleitersubstrat (100a) durch Öffnungen in einer Dotierstoffmaske, die auf der Prozessoberfläche (102a) vorgesehen ist, um sich bis zu einer zweiten Tiefe, die tiefer ist als die erste Tiefe erstreckende Emitterzonen (131) eines zweiten Leitungstyps, und zwischen den Emitterzonen (131) Kanäle (132) des ersten Leitungstyps zu erhalten; und Entfernen von exponierten Teilbereichen der Prozessschicht (438) oberhalb der Emitterzonen (131).
  23. Das Verfahren nach Anspruch 22, das aufweist: laserthermisches Annealen des Halbleitersubstrats (100a) in einer Tiefe, die flacher ist als die zweite Tiefe, so dass Dotierstoffe des zweiten Leitungstyps in einen vertikalen Abschnitt des Kanals (132) eindiffundieren.
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