DE102014113557A1 - Halbleitervorrichtung mit variablem resistivem element - Google Patents

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (500) umfasst einen Halbleiterkörper (100) einschließlich einer Driftzone (121), die einen pn-Übergang (pn1) mit einem Emitterbereich (140) bildet. Eine erste Lastelektrode (310) ist an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (100). Eine zweite Lastelektrode (320) ist an einer Rückseite des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der Vorderseite. Ein oder mehrere variable resistive Elemente (190) sind elektrisch in einem gesteuerten Pfad zwischen der Driftzone (121) und einer der ersten und zweiten Lastelektroden (310, 320) verbunden. Die variablen resistiven Elemente (190) aktivieren und deaktivieren elektronische Elemente der Halbleitervorrichtung (500) abhängig von einer Änderung des Betriebszustandes der Halbleitervorrichtung (500).

Description

  • HINTERGRUND
  • Typische Spezifikationsparameter von Leistungshalbleitervorrichtungen betreffen Sperrfähigkeit, statische Verluste, Schaltverluste sowie Avalanche- und Kurzschlussrobustheit. Ein Verbessern von einer dieser Vorrichtungseigenschaften beeinträchtigt gewöhnlich nachteilhaft wenigstens eine der anderen Vorrichtungseigenschaften.
  • Es ist wünschenswert, Halbleitervorrichtungen mit verbesserten Spezifikationen vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsbeispiele.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Halbleiterkörper, der eine Driftzone aufweist, die einen pn-Übergang mit einem Emitterbereich bildet. Eine erste Lastelektrode ist an einer Vorder- bzw. Frontseite des Halbleiterkörpers vorgesehen. Eine zweite Elektrode ist an einer Rückseite des Halbleiterkörpers entgegengesetzt zu der Vorderseite. Ein oder mehrere variable resistive Elemente sind elektrisch über einen gesteuerten Pfad zwischen der Driftzone und einer der ersten und zweiten Lastelektroden verbunden.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate einen Halbleiterkörper, der eine Driftzone aufweist, die einen pn-Übergang mit einem Emitterbereich bildet. Eine erste Lastelektrode ist an einer Vorder- bzw. Frontseite des Halbleiterkörpers vorgesehen. Eine zweite Lastelektrode ist an einer Rückseite des Halbleiterkörpers entgegengesetzt zu der Vorderseite. Ein oder mehrere variable resistive Elemente sind elektrisch in einem gesteuerten Pfad zwischen der Driftzone und einer der ersten und zweiten Lastelektroden verbunden.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein variables bzw. veränderliches resistives Element betrifft, das elektrisch in einem gesteuerten Pfad zwischen einer ersten Lastelektrode und einer Driftzone angeordnet ist.
  • 1B ist eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein variables resistives Element betrifft, das elektrisch in einem gesteuerten Pfad zwischen einer Driftzone und einer zweiten Lastelektrode angeordnet ist.
  • 2A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines variablen resistiven Elements mit zwei diskreten Elementelektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 2B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines variablen resistiven Elements mit einer diskreten Elementelektrode, die direkt an eine Lastelektrode angrenzt, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
  • 2C ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines variablen resistiven Elements mit einer diskreten Elementelektrode, die direkt an eine Driftzone oder einen Emitterbereich angrenzt, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 2D ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines variablen resistiven Elements mit keinen diskreten Elementelektroden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 3A ist eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein variables resistives Element betrifft, das parallel mit einer Diode zwischen einer Driftzone und einer zweiten Lastelektrode verbunden ist.
  • 3B ist eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein variables resistives Element betrifft, das in Reihe mit einer Diode in einem gesteuerten Pfad zwischen einer Driftzone und einer zweiten Lastelektrode verbunden ist.
  • 3C ist eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein variables resistives Element betrifft, das in Reihe mit einer Diode in einem gesteuerten Pfad zwischen einer ersten Lastelektrode und einer Driftzone verbunden ist.
  • 4A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem steuerbaren Ladungsträgeremitter, der auf variablen resistiven Elementen beruht, die zwischen einer zweiten Lastelektrode und einer Driftstruktur einschließlich einer Driftzone verbunden sind.
  • 4B zeigt Einzelheiten der variablen resistiven Elemente von 4A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Elementmatrix betrifft, die längs der betreffenden Lastelektrode angeordnet ist.
  • 4C zeigt Einzelheiten der variablen resistiven Elemente von 4A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Elementmatrix betrifft, die längs der Driftstruktur angeordnet ist.
  • 4D zeigt Einzelheiten der variablen resistiven Elemente von 4A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Elementmatrix betrifft, die von der betreffenden Lastelektrode und der Driftstruktur, also beiden Elektroden bzw. Strukturen, beabstandet ist.
  • 5A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel mit selbststeuernden Kurzschlüssen aufgrund von variablen resistiven Elementen, die zwischen einer zweiten Lastelektrode und einer Driftstruktur einschließlich einer Driftzone verbunden sind.
  • 5B zeigt Einzelheiten der variablen resistiven Elemente von 5A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Elementmatrix betrifft, die längs der betreffenden Lastelektrode angeordnet ist.
  • 5C zeigt Einzelheiten der variablen resistiven Elemente von 5A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Elementmatrix betrifft, die längs der Driftstruktur gebildet ist.
  • 5D zeigt Einzelheiten des variablen resistiven Elements von 5A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Elementmatrix betrifft, die von der Driftstruktur und der betreffenden Lastelektrode beabstandet ist.
  • 6A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das steuerbare Ladungsträgeremitter an einer Rückseite betrifft.
  • 6B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das steuerbare Ladungsträgeremitter an einer Rückseite und eine Elementmatrix mit horizontalen und vertikalen Teilen betrifft.
  • 6C ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das selbststeuernde Kurzschlüsse an einer Rückseite betrifft.
  • 6D ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das selbststeuernde Kurzschlüsse längs einer ersten Lastelektrode an einer Vorderseite betrifft.
  • 6E ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das selbststeuernde und rücksetzbare Kurzschlüsse an einer Vorderseite betrifft.
  • 6F ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das selbststeuernde Kurzschlüsse längs einer Driftzone an einer Vorderseite betrifft.
  • 7A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das selbststeuernde Kurzschlüsse und einen selbstanpassenden Ladungsträgeremitter an einer Rückseite kombiniert.
  • 7B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das selbststeuernde Kurzschlüsse und selbstbegrenzende Kurzschlüsse kombiniert.
  • 8 ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Teiles einer Leistungshalbleiterdiode gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Ausdruck ”elektrisch verbunden” beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung gestaltet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst zu dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise zeigt ”n–” eine Dotierungskonzentration an, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsbereiches ist, während ein ”n+”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • Die 1A und 1B beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung 500, beispielsweise eine Halbleiterschaltvorrichtung, die eine Vielzahl von identischen IGFET-(Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate-)Zellen umfasst. Die Halbleitervorrichtung 500 kann eine Leistungshalbleiterschaltvorrichtung, beispielsweise ein IGFET, wie ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET) in der üblichen Bedeutung einschließlich FETs mit Metallgates sowie FETs mit Nicht-Metallgates sein oder eine solche umfassen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Halbleitervorrichtung 500 ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) sein.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 beruht auf einem Halbleiterkörper 100 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, wie Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), einem Silizium-Germanium-Kristall (SiGe), Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) oder irgendeinem anderen AIIIBV-Halbleiter.
  • Der Halbleiterkörper 100 hat eine erste Oberfläche 101, die angenähert planar sein kann oder die durch eine Ebene definiert sein kann, die durch koplanare Oberflächenabschnitte aufgespannt ist. Eine planare zweite Oberfläche 102 erstreckt sich parallel zu der ersten Oberfläche 101. Ein Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 ist eine Funktion einer Spannungssperrfähigkeit der Halbleitervorrichtung 500 und kann wenigstens 20 μm sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der Abstand in einem Bereich von einigen hundert μm sein.
  • In einer Ebene parallel zu der ersten Oberfläche 101 kann der Halbleiterkörper 100 eine rechteckförmige Gestalt mit einer Randlänge von einigen Millimetern haben. Eine Normale zu der ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zu der vertikalen Richtung sind horizontale Richtungen.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 ist eine vertikale Vorrichtung mit einem Laststromfluss zwischen einer ersten Lastelektrode 310 direkt angrenzend an die erste Oberfläche 101 an einer Vorder- bzw. Frontseite der Halbleitervorrichtung 500 und einer zweiten Lastelektrode 320 direkt angrenzend an die entgegengesetzte zweite Oberfläche 102 an einer Rückseite des Halbleiterkörpers 500.
  • In dem Halbleiterkörper 100 grenzt eine Drift- und Rückseitenstruktur 120 direkt an die zweite Oberfläche 102 an und ist von der ersten Oberfläche 101 beabstandet. Die Drift- und Rückseitenstruktur 120 umfasst eine Driftstruktur, die wenigstens eine Driftzone 121 eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst. Eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann zwischen 1E12 cm–3 und 1E17 cm–3, beispielsweise in einem Bereich von 5E12 cm–3 bis 5E14 cm–3, sein. Eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann gleichmäßig sein oder graduell oder in Stufen mit zunehmendem Abstand zu der ersten Oberfläche 101 zunehmen oder abnehmen. Die Driftstruktur kann weitere dotierte Bereiche umfassen, beispielsweise eine Pufferschicht oder eine Feldstoppschicht zwischen der Driftzone 121 und der zweiten Lastelektrode 320.
  • Ein Emitterbereich 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps komplementär zu dem ersten Leitfähigkeitstyp ist zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Driftzone 121 gebildet und bildet einen ersten pn-Übergang pn1 mit der Driftzone 121. Der Emitterbereich 140 kann einen zusammenhängenden Teil umfassen, der längs des ersten pn-Übergangs pn1 gebildet ist, oder kann durch eine Vielzahl von räumlich getrennten Emitterzonen gebildet sein, wobei jede Emitterzone einen ersten pn-Übergang pn1 mit der Driftzone 121 bildet.
  • Eine geeignete Spannung, die zwischen der ersten Lastelektrode 310 und der zweiten Lastelektrode 320 in einem Sperrmodus der Halbleitervorrichtung 500 liegt, erzeugt eine Verarmungszone, die sich hauptsächlich von dem ersten pn-Übergang pn1 in die Driftzone 121 erstreckt. Die vertikale Ausdehnung der Verarmungszone definiert die Rückwärtsspannungssperrfähigkeit der Halbleitervorrichtung 500.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1, der beispielsweise der Anodenanschluss einer Leistungshalbleiterdiode, der Sourceanschluss eines IGFET oder der Emitteranschluss eines IGBT sein kann, bilden oder elektrisch mit einem solchen verbunden oder gekoppelt sein. Die zweite Lastelektrode 320 kann einen zweiten Lastanschluss L2, der der Kathodenanschluss einer Leistungshalbleiterdiode, ein Drainanschluss eines IGFET oder ein Kollektoranschluss eines IGBT sein kann, bilden oder elektrisch mit einem solchen verbunden oder gekoppelt sein.
  • Ein variables resistives Element 190 ist elektrisch in einem gesteuerten Pfad CP zwischen der ersten Lastelektrode 310 und der Driftzone 121 so verbunden, dass das variable resistive Element 190 ein elektronisches Element der Halbleitervorrichtung 500 abhängig von einer Änderung des Betriebszustandes der Halbleitervorrichtung 500 aktiviert und deaktiviert.
  • Der gesteuerte Pfad CP kann weiterhin aktive oder passive elektronische Elemente, beispielsweise resistive Pfade, pn-Übergänge, Schottky-Kontakte, ohmsche Kontakte oder bipolare Transistoren aufweisen, die elektrisch in Reihe mit dem variablen resistiven Element 190 verbunden sein können. Alternativ oder zusätzlich können weitere aktive oder passive elektronische Elemente elektrisch parallel mit dem variablen resistiven Element 190 verbunden sein.
  • 1A bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem das variable resistive Element 190 elektrisch in einem gesteuerten Pfad CP zwischen der Driftzone 121 und einer ersten Lastelektrode 310 verbunden ist, wobei weitere aktive oder passive elektronische Elemente elektrisch in Reihe mit dem variablen resistiven Element 190 in dem steuerbaren Pfad angeordnet sein können. Beispielsweise kann eine Halbleiterdiode zwischen der Driftzone 121 und dem variablen resistiven Element 190 angeordnet sein. Die Funktionalität des variablen resistiven Elements 190 und der weiteren elektronischen Elemente in dem gesteuerten Pfad CP können auf verschiedenen Strukturen beruhen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können das variable resistive Element 190 und die weiteren elektronischen Elemente in dem gesteuerten Pfad CP eine oder mehrere gemeinsame Strukturen teilen.
  • 1B bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem das variable resistive Element 190 elektrisch in einem gesteuerten Pfad CP zwischen der Driftzone 121 und der zweiten Lastelektrode 320 angeordnet ist.
  • Das variable resistive Element 190 kann eine Varistorstruktur umfassen, deren Widerstandswert eine Funktion der angelegten Spannung ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das variable resistive Element 190 eine resistive Schaltstruktur, deren Widerstand zwischen einem Niederwiderstandszustand und einem Hochwiderstandszustand unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes oder Stromes schaltet, wobei die Änderung des Widerstandes bzw. Widerstandswertes nicht-volatil und reversibel ist. Beispielsweise ist die resistive Schaltstruktur ein MEMristor.
  • Das variable resistive Element 190 kann seinen Widerstandswert bis zu einem signifikanten Grad verändern, beispielsweise in einem Verhältnis von wenigstens 10:1 oder wenigstens 50:1, wenn ein elektrisches Feld oder ein Spannungsabfall über dem variablen resistiven Element 190 oder ein Strom durch das variable resistive Element 190 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet oder unter diese fällt. Die Schwelle kann gekreuzt werden, wenn die Halbleitervorrichtung 500 ihren Betriebszustand ändert, beispielsweise wenn sich ein Lastzustand der Halbleitervorrichtung 500 signifikant verändert, z. B. wenn in einen Kurzschluss-Betriebsmodus, einen Betriebsavalanchemodus eingetreten oder dieser verlassen wird, wenn zwischen einem vorwärts und rückwärts vorgespannten Betriebsmodus oder zwischen sperrenden und leitenden Betriebsmodi verändert wird.
  • Durch zeitweises Überbrücken oder Sperren aktiver oder passiver elektronischer Elemente, die in dem Halbleiterkörper 100 gebildet sind, erlaubt das variable resistive Element 190 ein Verbessern der Vorrichtungseigenschaften für einen Betriebszustand, ohne nachteilhaft andere Betriebszustände zu beeinträchtigen.
  • Das variable resistive Element 190 kann aus Strukturen gebildet werden, die exklusiv dem jeweiligen variablen resistiven Element 190 zugeordnet sind, oder es kann eine oder mehrere Strukturen umfassen, die einer weiteren funktionalen Struktur in der Halbleitervorrichtung 500 gewidmet sind.
  • In 2A umfasst das variable resistive Element 190 eine erste Elementelektrode 191 und eine zweite Elementelektrode 193, die eine Elementmatrix 192 sandwichartig vorsehen. Die erste Elementelektrode 191 kann direkt an die Drift- und Rückseitenstruktur 120 oder den Emitterbereich 140 angrenzen. Die zweite Elementelektrode 193 kann direkt an die erste Lastelektrode 310 oder die zweite Lastelektrode 320 angrenzen.
  • Die ersten und zweiten Elementelektroden 191, 193 können leitende Metallelektroden sein. Die Elementmatrix 192 kann beispielsweise eine keramische Masse von Zinkoxidkörnern in einer Matrix von anderen Metalloxiden sein, wenn das variable resistive Element 190 auf einer Varistorstruktur beruht.
  • Gemäß Ausführungsbeispielen, die auf resistiven Schaltzellen beruhen, können die ersten und zweiten Elementelektroden 191, 193 gewählt sein aus Metallen und leitenden Metallverbindungen, wie Platin (Pt), Wolfram (W), Iridium (Ir), Titannitrid (TiN), Tantal (Ta), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Gold (Au) und Titanoxynitrid (TiON). Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel beruhen die ersten und zweiten Elementelektroden 191, 193 auf halbleitenden Materialien, wie stark dotiertem kristallinem oder polykristallinem Silizium. Die Elementmatrix 192 kann auf Nickeloxid (NiO), Titanoxid (TiO), Hafniumoxid (HfO), Zirkoniumoxid (ZrO), Wolframoxid (WO), Aluminiumoxid (Al2O3), Zinkoxid (ZnO) oder Siliziumoxid (SiO) beruhen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel beruht das variable resistive Element 190 auf einer resistiven Schaltzelle mit Silizium enthaltenden Elementelektroden 191, 193 und einer auf Siliziumoxid beruhenden Elementmatrix 192.
  • 2B bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Elementelektrode 191 durch einen Teil der Drift- und Rückseitenstruktur 120 oder des Emitterbereiches 140 gebildet ist.
  • In 2C ist eine der ersten oder zweiten Lastelektroden 310, 320 als die zweite Elementelektrode wirksam.
  • In 2D ist die Drift- und Rückseitenstruktur 120 oder der Emitterbereich 140 als eine der Elementelektroden wirksam, und eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 ist als die andere Elementelektrode wirksam, so dass die Elementmatrix 192 sandwichartig zwischen der Drift- und Rückseitenstruktur 120 oder dem Emitterbereich 140 auf einer ersten Seite und eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 auf einer entgegengesetzten zweiten Seite vorgesehen ist.
  • Die 3A bis 3C betreffen Ausführungsbeispiele mit variablen resistiven Elementen 190, die elektronische Elemente, wie Diodenstrukturen DP, DS oder IGFET-(Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate-)Zellen TP in einer Halbleitervorrichtung 500 während und/oder kurz nach einem Stromüberlastzustand überbrücken oder sperren.
  • In 3A ist das variable resistive Element 190 elektrisch zwischen einer Driftzone 121 und der zweiten Lastelektrode 320 verbunden. Das variable resistive Element 190 ist elektrisch parallel mit einer parallelen Diodenstruktur DP verbunden. Die parallele Diodenstruktur DP kann beispielsweise der pn-Übergang zwischen einem p-Emitter und einem Driftbereich eines IGBT sein. In einem ersten Betriebszustand kann das variable resistive Element 190 einen Hochwiderstandszustand derart haben, dass die parallele Diodenstruktur CP aktiv ist und hauptsächlich die Funktion der Drift- und Rückseitenstruktur 120 beeinträchtigt.
  • Beispielsweise kann das variable resistive Element 190 einen Hochwiderstandszustand in einem normalen Betriebsmodus der Halbleitervorrichtung 500 haben. Wenn eine Überlastbedingung eintritt, nimmt das variable resistive Element 190 einen niedrigen Impedanzzustand an und überbrückt bis zu einem bestimmten Grad die parallele Diodenstruktur DP. Falls die Diodenstruktur DP ein ausreichend starker Emitter ist, der eine ausreichende Anzahl von Ladungsträgern injiziert, trägt die Diodenstruktur DP noch den Betrieb während der Überlastbedingung trotz der aktiven Kurzschlüsse, die durch die variablen resistiven Elemente 190 in deren Niederwiderstandszustand gebildet sind. Wenn die Halbleitervorrichtung 500 von der Überlastbedingung zurück zu dem normalen Betriebsmodus kehrt, verbleiben die variablen resistiven Elemente 190 für eine inhärente Ansprech- bzw. Antwortzeit aktiv, was wenigstens 100 μs, beispielsweise wenigstens 1 ms, sein kann. Während der Ansprechzeit lenken die aktiven Kurzschlüsse einen Heiß-Leckstrom ab, der durch thermische Spannung induziert ist, die durch den Überstrom in dem Halbleiterkörper 100 verursacht ist, und reduzieren auf diese Weise die bipolare Verstärkung des Heiß-Leckstroms. Am Ende der Ansprechzeit schaltet das resistive Element 190 zurück zu dem Hochwiderstandszustand und beeinträchtigt nicht nachteilhaft den normalen Betriebsmodus der Halbleitervorrichtung 500.
  • 3B bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung 500 mit verschiedenen ersten und zweiten Diodenstrukturen DP, DS, die parallel zwischen der Driftzone 121 und der zweiten Lastelektrode 320 verbunden sind. Variable resistive Elemente 190 sind elektrisch in Reihe mit der zweiten Diodenstruktur DS verbunden. Die ersten und zweiten Diodenstrukturen DP, DS können hinsichtlich einer Lochemitterwirksamkeit bzw. -effizienz verschieden sein.
  • In einem Hochimpedanzzustand des variablen resistiven Elements 190 sind die zweiten Diodenstrukturen DS gesperrt und nicht als Lochemitter wirksam. Solange die resistiven Elemente 190 in einem Hochimpedanzzustand sind, emittieren lediglich die ersten Diodenstrukturen DP Löcher in einem jeweiligen Betriebsmodus der Halbleitervorrichtung 500. Ein Kurzschlussereignis kann einen Niederimpedanzzustand der resistiven Elemente 190 auslösen, um dadurch die zweiten Diodenstrukturen DS als Lochemitter zu aktivieren. Die gesamte Lochemitterwirksamkeit nimmt zu und verhindert eine Entwicklung eines negativen Feldgradienten in der Drift- und Rückseitenstruktur 120. Durch Vermeiden eines negativen Feldgradienten kann ein negativer Einfluss eines derartigen negativen Feldgradienten auf die Vorrichtungsstabilität vermieden werden, so dass eine höhere Robustheit gegenüber einer Überstromzerstörung erzielt werden kann. Eine Detektionsschaltung kann die Kurzschlussbedingung erfassen und schaltet den Laststrom aus. Das elektrische Feld über den variablen resistiven Elementen 190 vermindert sich, die variablen resistiven Elemente 190 kehren in den Hochwiderstandszustand zurück, und die gesamte effektive Lochemitterwirksamkeit ist zu dem Anfangswert reduziert.
  • In 3C können die variablen resistiven Elemente 190 in Reihe mit den zweiten Diodenstrukturen DS in gesteuerten Pfaden CP verbunden sein, die elektrisch parallel zu IGFET-Zellen TP zwischen der Driftzone 121 und der ersten Lastelektrode 310 sind.
  • Ein Ein- und Ausschalten der variablen resistiven Elemente 190 kann die Abfuhr von Löchern von der Driftzone 121 zu der ersten Lastelektrode 310 in einer Kurzschluss- oder Stromüberlastbedingung verbessern. Der parallele Pfad kann alternativ einen Spannungsabfall über dem parallelen MOS-Kanal der IGFET-Zellen vermindern und dadurch den parallel durch den Halbleiterkörper 100 während einer Kurzschlussbedingung fließenden Strom reduzieren. Als ein Ergebnis erwärmt sich der Halbleiterkörper 100 bis zu einer geringeren Temperatur in der gleichen Zeit. Wenn die Halbleitervorrichtung 500 von der Stromüberlastbedingung zurückkehrt, härtet die hohe Temperatur in dem Halbleiterkörper 100, die auf der Stromüberlastbedingung beruht, die variablen resistiven Elemente 190 aus.
  • Die 4A bis 4C beziehen sich auf einen IGBT 501 mit variablen resistiven Elementen 190, die zeitweise die Lochemitterwirksamkeit einer Kollektorstruktur 129 an einer Rückseite des IGBT 501 im Fall einer Stromüberlastbedingung steigern.
  • Der IGBT 501 beruht auf einem Halbleiterkörper 100, wie dieser in Einzelheiten anhand von 1A und 1B beschrieben ist. Der Halbleiterkörper 100 umfasst eine Drift- und Rückseitenstruktur 120, die zur Rückseite ausgerichtet ist und direkt an die zweite Oberfläche 102 angrenzt. Die Drift- und Rückseitenstruktur 120 umfasst eine Driftzone 121 des ersten Leitfähigkeitstyps und ist von der zweiten Oberfläche 102 beabstandet.
  • Ein Emitterbereich 140 des zweiten Leitfähigkeitstyps ist zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Drift- und Rückseitenstruktur 120 gebildet und bildet einen ersten pn-Übergang pn1 mit der Driftzone 121. Teile des Emitterbereiches 140, die Driftzone 121 und weitere dotierte Bereiche, Isolatorstrukturen und hochleitende Strukturen bilden einen Steuerabschnitt CS, der elektrisch mit einem Emitteranschluss E und einem Gateanschluss G des IGBT 501 verbunden und/oder gekoppelt ist. Der Steuerabschnitt CS verbindet elektrisch den Emitteranschluss E mit dem Emitterbereich 140, wenn ein an dem Gateanschluss G liegendes Potential eine vorbestimmte Schwelle überschreitet/unter diese fällt und umgekehrt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Steuerabschnitt CS IGFET-Zellen mit Source- und Bodyzonen, die elektrisch mit dem Emitteranschluss E verbunden sind, mit Gateelektroden, die elektrisch mit dem Gateanschluss G verbunden sind, und mit Teilen des Emitterbereiches 140, die als Drainzonen der IGFET-Zellen wirksam sind. Die IGFET-Zellen können laterale IGFET-Zellen sein, bei denen die Gateelektroden außerhalb der Außenlinie des Halbleiterkörpers 100 gebildet sind, oder vertikale IGFET-Zellen, bei denen die Gateelektroden in Gatetrenches gebildet sind, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken, sein. Der Steuerabschnitt CS kann weitere Strukturen umfassen, wie floatende bzw. potentialfreie dotierte Bereiche, Barriereschichten und/oder Feldelektroden, wobei die Feldelektroden elektrisch mit dem Emitteranschluss E verbunden sein können.
  • Die Drift- und Rückseitenstruktur 120 kann eine Kollektorstruktur 129 direkt angrenzend an die zweite Oberfläche 102 sowie eine Puffer- oder Feldstoppschicht 128 des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen, die die Driftzone 121 von der Kollektorstruktur 129 trennt. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 kann wenigstens fünf Mal so hoch wie die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 sein. Die Kollektorstruktur 129 umfasst leicht dotierte erste Abschnitte 129a des zweiten Leitfähigkeitstyps. Die ersten Abschnitte 129a bilden pn-Übergänge mit der Feldstoppschicht 128 oder der Driftzone 121. Längs der zweiten Oberfläche 102 ist die maximale Dotierstoffkonzentration in den ersten Abschnitten 129a ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit dem die zweite Lastelektrode 320 bildenden Metall zu gewährleisten. Eine maximale Dotierstoffkonzentration in den ersten Abschnitten 129a ist zwischen 1E16 und 1E18 cm–3.
  • Die Kollektorstruktur 129 umfasst weiterhin stärker dotierte zweite Abschnitte 129b sowie variable resistive Elemente 190, die zeitweise die zweiten Abschnitte 129b mit der zweiten Lastelektrode 320, der Feldstoppschicht 128 oder, bei Abwesenheit einer kontinuierlichen bzw. zusammenhängenden Feldstoppschicht 128, mit der Driftzone 121 verbinden. Die stark dotierten zweiten Abschnitte 129b in Kombination mit den resistiven Elementen 190 können eine größere vertikale Ausdehnung als die leicht dotierten ersten Abschnitte 129a haben.
  • Hilfsdielektrika 290 trennen die stark dotierten Abschnitte 129b von den leicht bzw. schwach dotierten ersten Abschnitten 129a. Die Hilfsdielektrika 290 können wenigstens einen Stoff aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid als Beispiel umfassen. Ein Verhältnis der maximalen Dotierstoffkonzentration in den zweiten Abschnitten 129b zu der maximalen Dotierstoffkonzentration in den ersten Abschnitten 129a kann in einem Bereich von 3:1 bis 500:1, beispielsweise in einem Bereich von 10:1 bis 100:1, sein.
  • Wie in 4B veranschaulicht ist, kann das variable resistive Element 190 zwischen der zweiten Lastelektrode 320 und dem stark dotierten zweiten Abschnitte 129b angeordnet sein.
  • In 4C ist das variable resistive Element 190 zwischen der Feldstoppschicht 128 und dem stark dotierten zweiten Abschnitt 129b angeordnet.
  • In 4D trennen Abschnitte der stark dotierten zweiten Abschnitte 129b das variable resistive Element 190 von der Feldstoppschicht 128 und der zweiten Lastelektrode 320, also von beiden. Das variable resistive Element 190 ist sandwichartig zwischen zwei Abschnitten der stark dotierten zweiten Abschnitte 129b der Kollektorstruktur 129 vorgesehen.
  • Das variable resistive Element 190 kann irgendeine der Konfigurationen haben, die in Einzelheiten anhand von 2A bis 2D beschrieben sind. Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst das variable resistive Element 190 eine Elementmatrix 192, beruhend auf Siliziumoxid, und die angrenzenden Teile der Feldstoppschicht 128, wobei die zweiten Abschnitte 129b und/oder die zweite Lastelektrode 320 als Elementelektroden wirksam sind.
  • In den Ausführungsbeispielen der 4A bis 4D ist die Kollektorstruktur 129 als ein selbst-anpassender oder ”intelligenter” Lochemitter mit einer niedrigen Lochemitterwirksamkeit in einem normalen Betriebsmodus und einer hohen Lochemitterwirksamkeit während einer Kurzschluss- oder Stromüberlastbedingung wirksam. In dem normalen Betriebsmodus ist das variable resistive Element 190 in einem Hochwiderstandszustand, so dass die stark dotierten zweiten Abschnitte 129b der Kollektorstruktur 129 ausgeschaltet und elektrisch inaktiv sind. Die Dotierstoffkonzentration/Flächen- bzw. Arealdosis der ersten Abschnitte 129a der Kollektorstruktur 129 ist vergleichsweise niedrig, so dass in einem leitenden Modus des IGBT 501 eine Ladungsträgerplasmadichte in der Driftzone 121 niedrig ist und die dynamischen Verluste während eines Ausschaltens niedrig sind.
  • Im Fall eines Kurzschluss- oder Überstromereignisses fließt ein hoher Strom durch den Halbleiterkörper 100 in der vertikalen Richtung, was in einem signifikanten Spannungsabfall über der hochohmigen Elementmatrix 192 resultiert. Wenn der Spannungsabfall eine eingestellte Spannung des variablen resistiven Elements 190 überschreitet, wird der Widerstand des variablen resistiven Elements 190 signifikant reduziert, beispielsweise auf weniger als 1% des Widerstandes in dem Hochwiderstandszustand. Die stark dotierten zweiten Abschnitte 129b der Kollektorstruktur 129 werden freigegeben und elektrisch aktiv. Die gesamte Lochemitterwirksamkeit der Kollektorstruktur 129 nimmt drastisch zu, um dadurch eine Entwicklung eines negativen Feldgradienten in einem Teil der Drift- und Rückseitenstruktur 120 ausgerichtet zu der zweiten Oberfläche 102 zu verhindern, und trägt auf diese Weise zu einer höheren Kurzschluss-Robustheit bei.
  • Wenn der IGBT 501 sich von der Kurzschlussbedingung nach Abschalten des Kurzschlussstromes erholt, ist die Kollektorstruktur 129 frei von hohen elektrischen Feldern. Der Halbleiterkörper 100 ist noch bis zu einer Temperatur über wenigstens 200°C, beispielsweise wenigstens 300°C, erwärmt. Die thermische Energie, die in dem Halbleiterkörper 100 direkt nach dem Erholen von der Kurzschlussbedingung immanent ist, setzt bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes das variable resistive Element 190 zurück, das auf einem resistiven Schaltelement beruhen kann.
  • Resistive Schaltelemente, wie MEMristoren, umfassen Elementmatrizen 192, die beispielsweise auf einer Siliziumoxid-(SiOx-)Matrix beruhen. Unter der Kurzschlussbedingung ordnet das effektive elektrische Feld Sauerstoffleerstellen in der SiOx-Matrix zu zusammenhängenden Filamentierungen zwischen den Elementelektroden, was in Pfaden mit einem erhöhten Anteil von Siliziumatomen verglichen mit Sauerstoffatomen resultiert. Wenn das elektrische Feld verschwindet, löst eine thermisch induzierte Diffusion der Sauerstoffleerstellen die Filamentierungen auf, und das resistive Schaltelement nimmt wieder den Hochwiderstandszustand an.
  • Die Kollektorstruktur 129 kehrt in einen Zustand mit niedriger Lochemitterwirksamkeit zurück, was in niedrigen Schaltverlusten resultiert. Die in 5A bis 5D veranschaulichte Kollektorstruktur 129 des IGBT 501 umfasst gegendotierte dritte Abschnitte 129c des Leitfähigkeitstyps der Driftzone 121. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten wird Bezug genommen auf die Beschreibung der 4A bis 4D.
  • Die variablen resistiven Elemente 190 in Kombination mit den gegendotierten dritten Abschnitten 129c sind wirksam als selbststeuernde oder ”intelligente” Kurzschlüsse zwischen der Driftzone 121 oder der Feldstoppschicht 128 auf der einen Seite und der zweiten Lastelektrode 320 auf der entgegengesetzten Seite.
  • In einem normalen Betriebsmodus sind die variablen resistiven Elemente 190 in einem Hochwiderstandszustand derart, dass Kurzschlüsse ausgeschaltet bzw. deaktiviert sind. Im Fall einer Überstrombedingung, beispielsweise bei einem Kurzschlussereignis, setzt ein Spannungsabfall über der Kollektorstruktur 129 die variablen resistiven Elemente 190, die einen Niederimpedanzzustand annehmen. Die Kurzschlüsse werden freigegeben bzw. aktiviert und werden aktiv, so dass der niedrige Impedanzpfad durch die Kurzschlüsse elektrisch die Feldstoppschicht 128 oder, bei Abwesenheit der Feldstoppschicht 128, die Driftzone 121 mit der zweiten Lastelektrode 320 verbindet. Die variablen resistiven Elemente 190 weisen eine definierte Ansprechzeit auf die Auslöschung des elektrischen Feldes auf. Dadurch ist die Ansprechzeit durch die Zeit definiert, bis leitende Filamente bzw. Filamentierungen in der Elementmatrix 192 eines resistiven Schaltelements thermisch aufgelöst wurden. Während der Ansprechzeit lenken die Kurzschlüsse einen heißen Leckstrom ab, der durch die vorangehende Überstrombedingung induziert ist, so dass eine bipolare Verstärkung des heißen Leckstroms signifikant reduziert ist. Auf diese Weise steigern die aktiven Kurzschlüsse die Robustheit des IGBT 501 gegenüber thermischen Zerstörungsereignissen.
  • Die verbleibende thermische Energie in dem Halbleiterkörper 100 löst die Stromfilamentierungen in der Elementmatrix 192 auf, wodurch die Kurzschlüsse automatisch ausgeschaltet und inaktiv werden. Die Rückwärtssperrfähigkeit des IGBT 501 ist vollständig wiederhergestellt. Die ausgeschalteten gegendotierten dritten Abschnitte 129c beeinträchtigen die Lochemitterwirksamkeit lediglich während und kurz nach dem Überlastereignis und sind inaktiv in dem normalen Betriebsmodus. Im Gegensatz zu selbstbegrenzenden Mikrokurzschlüssen ohne variable resistive Elemente, die einen ähnlichen Effekt anstreben, sind die Abmessungen der gegendotierten dritten Abschnitte 129c weniger kritisch.
  • Die Überbrückungsstrukturen einschließlich der variablen resistiven Elemente 190 und der gegendotierten dritten Abschnitte 129c, wie in 5A bis 5D veranschaulicht, können kombiniert werden mit den intelligenten Emitterbereichen der 4A bis 4D in dem gleichen IGBT 501.
  • Der IGBT 501 von 6A beruht auf dem IGBT 501 wie anhand von 4A bis 4D beschrieben. Zusätzlich zeigt 6A Einzelheiten des Steuerabschnitts CS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf Trenchgatestrukturen 150 und Feldelektrodenstrukturen 160 beruht.
  • Der Steuerabschnitt CS kann IGFET-Zellen TC sowie inaktive bzw. leere Zellen IC umfassen. Die IGFET-Zellen TC sind Gatestrukturen 150 zugeordnet, die an der Vorderseite mit der ersten Oberfläche 101 gebildet sind. Die Gatestrukturen 150 können Streifen sein, die sich in einer Richtung orthogonal zu dem Querschnittsgebiet erstrecken, oder können punktförmige horizontale Querschnitte haben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein horizontaler Querschnitt einer Gatestruktur 150 ein Oval, ein Kreis oder ein regelmäßiges oder verzerrtes Polygon, beispielsweise ein Quadrat, ein Hexagon oder ein Oktagon. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen bildet die Gatestruktur 150 ein Gitter, dessen Maschen Ovale, Kreise oder regelmäßige oder verzerrte Polygone mit oder ohne gerundete oder abgeschrägte Ecken bilden. Die Gatestrukturen 150 umfassen eine Gateelektrode 155, die eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht und/oder eine Metall enthaltende Schicht umfasst oder aus einer solchen besteht.
  • Ein Gatedielektrikum 151 kann vollständig die Gateelektrode 155 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isolieren. Das Gatedielektrikum 151 koppelt kapazitiv die Gateelektrode 155 mit Teilen des Halbleiterkörpers 100. Das Gatedielektrikum 151 kann ein Halbleiteroxid, beispielsweise ein thermisch aufgewachsenes oder aufgetragenes bzw. abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid, beispielsweise ein thermisch aufgewachsenes oder aufgetragenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxynitrid, beispielsweise Siliziumoxynitrid, oder eine Kombination hiervon umfassen oder aus solchen bestehen.
  • Die Gatestrukturen 150 können laterale Gates sein, die außerhalb des Halbleiterkörpers 100 längs der ersten Oberfläche 101 gebildet sind. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gatestrukturen 150 Trench- bzw. Grabengates, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 herab zu wenigstens der Driftzone 121 erstrecken.
  • Die Gateelektrode 155 ist elektrisch mit dem Gateanschluss G des IGBT 501 verbunden oder gekoppelt.
  • Die inaktiven bzw. Leerzellen IC beruhen auf Feldelektrodenstrukturen 160, die sich von der ersten Oberfläche 101 herab zu wenigstens der Driftzone 121 erstrecken können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Gatestrukturen 150 und die Feldelektrodenstrukturen 160 die gleiche vertikale Ausdehnung und/oder die gleiche Breite haben. Die Feldelektrodenstrukturen 160 können Streifen sein, die sich in einer Richtung orthogonal zu der Querschnittsebene erstrecken, oder können nadelförmig sein, wobei die horizontalen Querschnitte Ovale, Kreise oder verzerrte oder regelmäßige Polygone mit oder ohne gerundete Ecken, wie Quadrate, Hexagone oder Oktagone sein können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Feldelektrodenstruktur 160 eine Gatestruktur 150 in allen horizontalen Richtungen oder umgekehrt umgeben. Jede Feldelektrodenstruktur 160 umfasst eine Feldelektrode 165 und ein Felddielektrikum 161, das die Feldelektrode 165 umgibt und die Feldelektrode 165 von dem Halbleiterkörper 100 trennt.
  • Die Feldelektrode 165 umfasst eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht und/oder eine Metall enthaltende Schicht oder besteht aus einer solchen. Das Felddielektrikum 161 kann eine thermisch gewachsene Siliziumoxidschicht umfassen oder aus einer solchen bestehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Felddielektrikum 161 eine aufgetragene bzw. abgeschiedene Siliziumoxidschicht, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht, die auf TEOS (Tetraethylorthosilikat) beruht, umfassen oder aus einer solchen bestehen.
  • Die Feldelektrode 165 und die Gateelektrode 155 können aus dem gleichen Material bzw. den gleichen Materialien gebildet sein. Das Felddielektrikum 161 kann dicker sein als das Gatedielektrikum 151. Die Feldelektroden 165 können elektrisch mit dem Emitteranschluss E, mit einem zusätzlichen Steueranschluss, mit einem Ausgang einer auf den gleichen Halbleiterkörper 100 integrierten Treiberschaltung verbunden sein oder können floaten. Das Verhältnis einer Populationsdichte von Feldelektroden 160 zu einer Populationsdichte von Gateelektrode 150 kann zwischen 1:1 und 10:1 sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Populationsdichten von Feldelektroden 160 zu Gateelektroden 150 in der Querschnittsebene 4:1, wobei vier Feldelektrodenstrukturen 160 zwischen jedem Paar von benachbarten Gatestrukturen 150 gebildet sind.
  • Teile des Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Gateelektrodenstrukturen 150 oder zwischen benachbarten Gate- und Feldelektrodenstrukturen 150, 160 bilden aktive Mesas 170a. Jede aktive Mesa 170a umfasst eine Bodyzone 115a des zweiten Leitfähigkeitstyps, die einen ersten pn-Übergang pn1 mit der Driftzone 121 bildet, sowie wenigstens eine Sourcezone 110, die einen zweiten pn-Übergang pn2 mit der Bodyzone 115a bildet. Die Bodyzonen 115a trennen die Sourcezonen 110 von der Driftzone 121. Die Gatedielektrika 151 koppeln kapazitiv die Gateelektrode 155 mit einem Kanalteil der angrenzenden Bodyzone 115a.
  • Teile des Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Feldelektrodenstrukturen 160 bilden passive Mesas 170b. Die passiven Mesas 170b können inaktive bzw. leere dotierte Zonen 115b umfassen, die weitere erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftzone 121 bilden.
  • In den dargestellten Ausführungsbeispielen und für die folgende Beschreibung ist der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ, und der zweite Leitfähigkeitstyp ist ein p-Typ. Ähnliche Überlegungen, wie unten angegeben, gelten auch für Ausführungsbeispiele, bei denen der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist, während der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist.
  • Wenn eine an die Gateelektroden 155 angelegte Spannung eine voreingestellte Schwellenspannung überschreitet, sammeln sich Elektronen in den Kanalteilen direkt angrenzend an die Gatedielektrika 151 und bilden Inversionskanäle, die die ersten pn-Übergänge pn1 für Elektronen kurzschließen.
  • Ein Zwischenschichtdielektrikum 210, das an die erste Oberfläche 101 angrenzt, kann elektrisch die Gateelektrode 155 von der ersten Lastelektrode 310 isolieren, die an der Vorderseite angeordnet ist. Zusätzlich kann das Zwischenschichtdielektrikum 210 in der vertikalen Projektion der Feldelektrodenstrukturen 160 gebildet sein.
  • Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann eine oder mehrere dielektrische Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, dotiertem oder nicht dotiertem Silikatglas, beispielsweise BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas) oder BPSG (Borphosphorsilikatglas) als Beispiele umfassen.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann den Emitteranschluss E bilden oder kann elektrisch mit einem solchen gekoppelt oder verbunden sein. Die zweite Lastelektrode 320, die direkt an die zweite Oberfläche 102 und die Kollektorstruktur 129 angrenzt, kann den Kollektoranschluss C bilden oder elektrisch mit einem solchen verbunden sein.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile aus Aluminium (A1), Kupfer (Cu) oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlSi, AlCu oder AlSiCu bestehen oder diese enthalten. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann wenigstens eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile Nickel (Ni), Zinn (Sn), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Vanadium (V), Silber (Ag), Gold (Au), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) enthalten. Beispielsweise kann wenigstens eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 zwei oder mehr Unterschichten umfassen, wobei jede Unterschicht einen oder mehrere Stoffe aus Ni, Sn, Ti, V, Ag, Au, Pt, W und Pd als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile, beispielsweise ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung, enthält.
  • Kontaktstrukturen 315 erstrecken sich durch Öffnungen in dem Zwischenschichtdielektrikum 210 und verbinden elektrisch die erste Lastelektrode 310 mit den Sourcezonen 110 und durch zwischenliegende stark dotierte Kontaktzonen 116 mit den Bodyzonen 115a. Die Kontaktstrukturen 315 verbinden weiterhin elektrisch die erste Lastelektrode 310 mit den Feldelektroden 165 der Transistorzellen TC. Die Kontaktstrukturen 315 können eine oder mehrere leitende, Metall enthaltende Schichten, die beispielsweise auf Titan (Ti) oder Tantal (Ta) beruhen, und einen Metallfüllungsteil, beispielsweise beruhend auf Wolfram (W), umfassen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen umfassen die Kontaktstrukturen 315 stark dotierte Halbleiterstrukturen, beispielsweise stark n-dotierte polykristalline Strukturen oder stark p-dotierte säulenförmige einkristalline Strukturen.
  • Der IGBT 501 von 6B umfasst variable resistive Elemente 190 mit einer Elementmatrix 192, die vollständig die stark dotierten zweiten Abschnitte 129b der Kollektorstruktur 129 gegenüber den leicht dotierten ersten Abschnitten 129a und der Feldstoppschicht 128 oder, bei Abwesenheit der Feldstoppschicht 128, der Driftzone 121 einkapselt. Die Elementmatrix 192 kann gebildet werden durch Auskleiden eines Trenches, der in die zweite Oberfläche 102 von der Rückseite geätzt ist.
  • 6C kombiniert den Steuerabschnitt CS, wie in Einzelheiten anhand von 6A beschrieben, mit selbststeuernden Kurzschlüssen, wie in Einzelheiten im Hinblick auf 5A bis 5D beschrieben.
  • Die 6D bis 5F kombinieren den Steuerabschnitt CS, wie anhand von 6A beschrieben, mit selbststeuernden Kurzschlüssen an einer Vorderseite, wie in Einzelheiten anhand von 3C beschrieben. Variable resistive Elemente 190 einschließlich wenigstens eines Matrixelements 192 sind zwischen den Kontaktstrukturen 315, die sich von der erste Lastelektrode 310 durch Öffnungen in dem Zwischenschichtdielektrikum 210 erstrecken, auf der einen Seite und den inaktiven bzw. leeren dotierten Zonen 115b auf der anderen Seite gebildet.
  • In einem normalen Betriebsmodus sind die variablen resistiven Elemente 190 in einem Hochwiderstandszustand, und die leeren bzw. inaktiven dotierten Zonen 115b in wenigstens einigen der passiven Mesas 170b sind ausgeschaltet und elektrisch inaktiv. Während einer Überlastbedingung, beispielsweise falls eine Kurzschlussbedingung eintritt, fällt eine hohe Spannung über den variablen resistiven Elementen 190 und den inaktiven dotierten Zonen 115b auf der Vorderseite ab. Wenn der Spannungsabfall eine eingestellte Spannung der variablen resistiven Elemente 190 überschreitet, drehen die variablen resistiven Elemente 190 in einen Niederwiderstandszustand, wobei ein Verhältnis zwischen dem Hochwiderstandswert und dem Niederwiderstandswert wenigstens 50:1 beträgt. Die inaktiven dotierten Bereiche 115b werden elektrisch mit den ersten Lastelektroden 310 verbunden. Löcher, die von der Driftzone 121 abgelenkt sind, werden durch die erste Lastelektrode 310 auch über die zusätzlichen Überbrückungen abgeführt, so dass ein durch die Löcher in dem Halbleiterkörper 100 induzierter Spannungsabfall reduziert ist. Die durch die variablen resistiven Elemente 190 realisierten Überbrückungen reduzieren die Power- bzw. Leistungsverluste in dem Halbleiterkörper, und der Halbleiterkörper 100 erwärmt sich mit einer geringeren Rate. Als eine Folge verbessern die variablen resistiven Elemente 190 eine Überlast-Robustheit des IGBT 501.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kollektorstruktur 129 eine zusammenhängende Schicht. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die variablen resistiven Elemente 190 an der Vorderseite mit den selbststeuernden Emittern und/oder den selbststeuernden Kurzschlüssen an der Rückseite kombiniert sein, wie dies in den vorangehenden Figuren veranschaulicht ist.
  • Typischerweise detektiert bzw. erfasst eine Hilfsschaltung außerhalb des IGBT 501 oder integriert in den Halbleiterkörper 100 die Überlastbedingung und unterbricht die Lastschaltung, so dass sich der IGBT 501 von der Überlastbedingung erholen kann. Bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes fällt keine Spannung über den variablen resistiven Elementen 190 ab, so dass in dem Halbleiterkörper 100 während der Überlastbedingung gespeicherte thermische Energie die variablen resistiven Elemente 190 rücksetzen kann. Als eine Folge beeinträchtigen die inaktiven dotierten Zonen 115b nicht nachteilhaft den normalen Betriebsmodus des IGBT 501.
  • Alternativ oder zusätzlich können die variablen resistiven Elemente 190 einen Spannungsabfall verwenden, der während einer Miller-Phase des Abschaltens auftritt, um in einen niederen resistiven Zustand zu schalten. In diesem Fall erlaubt der zusätzliche Pfad für Löcher ein rascheres und effizienteres Erholen des IGBT 501 von dem leitenden Modus.
  • Gemäß dem in 6D dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine externe Gatetreibereinheit das variable resistive Element 190 auslösen, um in den Niederwiderstandszustand vor Abschalten des IGBT 501 zu schalten, indem beispielsweise eine Gatespannung zwischen einer nominellen Einschaltspannung und einer Schwellenspannung vorgesehen wird. Nach Abschalten ist der IGBT 501 in einem Sperrzustand, wobei die ersten pn-Übergänge pn1 zwischen den inaktiven dotierten Zonen 115 und dem Driftbereich rückwärts vorgespannt sind. Die variablen resistiven Elemente 190 werden feldfrei und erholen sich zu dem Hochwiderstandszustand aufgrund der thermischen Energie, die in dem Halbleiterkörper 100 gespeichert ist.
  • Der IGBT 501 von 6E umfasst eine Rücksetzleitung 330, die elektrisch mit den inaktiven dotierten Zonen 115b verbunden ist. Die Rücksetzleitung 330 kann elektrisch mit einem Rücksetzanschluss RST oder mit einem Ausgang einer in den Halbleiterkörper 100 integrierten internen Treiberschaltung verbunden sein und ein Rücksetzsignal an die Rücksetzleitung 330 legen. Die Rücksetzleitung 330 kann verwendet werden, um das Rücksetzen der variablen resistiven Elemente 190 zu tragen.
  • 6F bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem das variable resistive Element 190 zwischen den inaktiven dotierten Zonen 115b in den passiven Mesas 170 auf der einen Seite und der Driftzone 121 auf der entgegengesetzten Seite angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Elementmatrix 192 einen ersten und einen zweiten Abschnitt der jeweiligen inaktiven dotierten Zone 115b gemäß dem in den 4D und 5D veranschaulichten Muster trennen.
  • 7A kombiniert selbststeuernde Emitter 190b und selbststeuernde Kurzschlüsse 190a in der gleichen Kollektorstruktur 129. Die selbststeuernden Emitter und Kurzschlüsse 190b, 190a können in einem Verhältnis zwischen 1:100 und 100:1, beispielsweise in einem Bereich von 1:10 zu 10:1 vorgesehen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis von selbststeuernden Kurzschlüssen 190a zu selbststeuernden Emittern 190b etwa 1:1. Die selbststeuernden Kurzschlüsse 190a und/oder die selbststeuernden Emitter 190b können Streifen sein, die sich in einer Richtung orthogonal zu der Querschnittsebene erstrecken, oder können punktförmig sein, wobei eine erste horizontale Ausdehnung höchstens 5 Mal so groß wie eine zweite horizontale Ausdehnung orthogonal zu der ersten horizontalen Ausdehnung ist.
  • Die Kollektorstruktur 129 des IGBT 501 in 7B umfasst selbststeuernde Kurzschlüsse, die auf variablen resistiven Elementen 190 beruhen, sowie selbstbegrenzende Kurzschlüsse 180, die auf schwach gegendotierten vierten Abschnitten 129d der Kollektorstruktur 129 beruhen. In einem Rückwärtssperrzustand vermengen bzw. vermischen sich Verarmungsbereiche, die sich längs der entgegengesetzten vertikalen Seitenwände der gegendotierten vierten Abschnitte 129b erstrecken, miteinander, so dass die vierten Abschnitte 129d vollständig verarmt sind und Ladungsträger daran hindern, durch die selbstbegrenzten Kurzschlüsse zu verlaufen.
  • 8 veranschaulicht eine Leistungshalbleiterdiode 502. Der Emitterbereich 140 umfasst erste Abschnitte 140a und zweite Abschnitte 140b, die sich jeweils zwischen der ersten Lastelektrode 310 und der Driftzone 121 erstrecken. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den zweiten Abschnitten 140b ist wenigstens drei Mal so hoch wie eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den ersten Abschnitten 140a. Die variablen resistiven Elemente 190 sind elektrisch in Reihe mit den zweiten Abschnitten 140b verbunden. Im Fall eines Überstromereignisses ändern sich die variablen resistiven Elemente 190 von einem Hochwiderstandszustand zu einem Niederwiderstandszustand, um dadurch die zweiten Abschnitte 140b zu aktivieren. Die sich ergebende höhere Anzahl von injizierten Ladungsträgern vermindert den Spannungsabfall über dem Halbleiterkörper 100 und reduziert die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Halbleiterkörper 100 erwärmt, so dass die Leistungshalbleiterdiode 502 für höhere Überlastströme und/oder längere Kurzschlusszeiten ausgelegt bzw. spezifiziert werden kann. In einem normalen Betriebsmodus sperren die variablen resistiven Elemente 190 die zweiten Abschnitte 140b, so dass ein dichtes Ladungsträgerplasma, das in niedrigen statischen Verlusten resultiert, in dem leitenden Zustand erhalten werden kann. Die variablen resistiven Elemente 190 können zwischen den zweiten Abschnitten 140b und der Driftzone 121 angebracht bzw. platziert werden oder können zwischen den zweiten Abschnitten 140b und der ersten Lastelektrode 310 vorgesehen bzw. platziert werden.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (20)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterkörper (100) mit einer Driftzone (121), die einen pn-Übergang (pn1) mit einem Emitterbereich (140) bildet, eine erste Lastelektrode (310) an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (100), eine zweite Lastelektrode (320) an einer Rückseite des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der Vorderseite, und ein oder mehrere variable resistive Elemente (190), die elektrisch in einem gesteuerten Pfad zwischen der Driftzone (121) und einer der ersten und zweiten Lastelektroden (310, 320) verbunden sind.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das variable resistive Element (190) ein Varistor ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das variable resistive Element (190) ein resistives Schaltelement ist.
  4. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei der das variable resistive Element (190) gestaltet ist, um abhängig von einer Änderung einer Lastbedingung der Halbleitervorrichtung von einem hochohmigen Zustand zu einem niederohmigen Zustand zu wechseln.
  5. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei der das variable resistive Element (190) gestaltet ist, um von einem hochohmigen Zustand zu einem niederohrigen Zustand zu wechseln, falls eine Kurzschlussbedingung im Halbleiterkörper auftritt.
  6. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei der das variable resistive Element (190) gestaltet ist, um von einem hochohmigen Zustand zu einem niederohmigen Zustand zu wechseln, falls ein Avalanche-Durchbruch im Halbleiterkörper (100) auftritt oder die Halbleitervorrichtung von einem leitenden Zustand zu einem sperrenden Zustand wechselt.
  7. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei der das variable resistive Element (190) eine Elementmatrix (192) umfasst, die auf Silizium und Oxid beruht.
  8. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, weiterhin umfassend: eine Kollektorstruktur (129) im Halbleiterkörper (100) zwischen der Driftzone (121) und der zweiten Lastelektrode (320), wobei die Kollektorstruktur (129) wenigstens erste Abschnitte (129a) eines Leitfähigkeitstyps entgegengesetzt zu einem Leitfähigkeitstyp der Driftzone (121) aufweist.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, bei der die variablen resistiven Elemente (190) in einem gesteuerten Pfad (CP) elektrisch verbunden sind, der elektrisch parallel mit den ersten Abschnitten (129a) verbunden ist.
  10. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, bei der die Kollektorstruktur (129) zweite Abschnitte (129b) des Leitfähigkeitstyps der ersten Abschnitte (129a) aufweist, wobei eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den zweiten Abschnitten (129b) wenigstens drei Mal so hoch ist wie eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den ersten Abschnitten (129a) und die variablen resistiven Elemente (190) elektrisch in Reihe mit den zweiten Abschnitten (129b) verbunden sind.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, weiterhin umfassend: Hilfsdielektrika (290), die die ersten und zweiten Abschnitte (129a, 129b) trennen.
  12. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, bei der die Kollektorstruktur (129) dritte Abschnitte (129c) des Leitfähigkeitstyps der Driftzone (121) aufweist und die variablen resistiven Elemente (190) elektrisch in Reihe mit den dritten Abschnitten (129c) verbunden sind.
  13. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, bei der die Kollekturstruktur (129) selbstbegrenzende Kurzschlüsse (180) aufweist, die gestaltet sind, um vollständig in einem rückwärts sperrenden Zustand zu verarmen.
  14. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, bei der der Emitterbereich (140) inaktive dotierte Zonen (115b) aufweist, die pn-Übergänge (pn1) mit der Driftzone (121) bilden, und die variablen resistiven Elemente (190) elektrisch in einem gesteuerten Pfad (CP) verbunden sind, der elektrisch in Reihe mit den pn-Übergängen (pn1) verbunden ist.
  15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei der die variablen resistiven Elemente (190) elektrisch zwischen der ersten Lastelektrode (310) und den inaktiven dotierten Zonen (115b) verbunden sind.
  16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei der die variablen resistiven Elemente (190) elektrisch zwischen den inaktiven dotierten Zonen (115b) und der Driftzone (121) verbunden sind.
  17. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 16, weiterhin umfassend: eine Rücksetzleitung (330), die elektrisch die inaktiven dotierten Zonen (115b) mit einem Rücksetzanschluss (RST) verbindet.
  18. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei der der Emitterbereich (140) erste Abschnitte (140a) und zweite Abschnitte (140b) aufweist, die sich jeweils zwischen der ersten Lastelektrode (310) und der Driftzone (121) erstrecken, wobei eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den zweiten Abschnitten (140b) wenigstens drei Mal so hoch ist wie eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den ersten Abschnitten (140a) und die variablen resistiven Elemente (190) elektrisch in Reihe mit den zweiten Abschnitten (140b) verbunden sind.
  19. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: Hilfsdielektrika (290), die die ersten und zweiten Abschnitte (140a, 140b) trennen.
  20. Bipolartransistor mit isoliertem Gate, umfassend: einen Halbleiterkörper (100), der eine Driftzone (121) aufweist, die einen pn-Übergang (pn1) mit einem Emitterbereich (140) bildet, eine erste Lastelektrode (310) an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (100), eine zweite Lastelektrode (320) an einer Rückseite des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der Vorderseite, und ein oder mehrere variable resistive Elemente (190), die elektrisch in einem gesteuerten Pfad zwischen der Driftzone (121) und einer der ersten und zweiten Lastelektroden (310, 320) verbunden sind.
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