DE102015115723A1 - Weich schaltendes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Gerhard Schmidt
Elmar Falck
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Infineon Technologies AG
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Seite (101) und einer zweiten Seite (102) auf, die von der ersten Seite (101) in einer ersten vertikalen Richtung (v1) beabstandet angeordnet ist. Das Halbleiterbauelement weist einen gleichrichtenden Übergang (111) auf, eine Feldstoppzone (119) von einem ersten Leitungstyp (n) und eine Driftzone (118) von einem ersten Leitungstyp (n), die zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und der Feldstoppzone (119) angeordnet ist. Der Halbleiterkörper (100) weist entlang einer geraden Linie (g) parallel zu der ersten vertikalen Richtung (v1) eine Netto-Dotierungskonzentration (NNET) auf. Von (a) und (b) trifft zumindest eines zu: (a) Die Driftzone (118) weist bei einer ersten Tiefe (d1) einen Ladungsschwerpunkt auf, wobei ein Abstand (d1-d111) zwischen den gleichrichtenden Übergang (111) und dem Ladungsschwerpunkt kleiner ist als 37% der Dicke (d112-d111), die die Driftzone (118) in der ersten vertikalen Richtung (v1) aufweist; (b) der Absolutbetrag (│NNET│) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) weist entlang der geraden Linie (g) und innerhalb der Driftzone (118) einen lokalen Maximumswert (MAX) auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein weich schaltendes Halbleiterbauelement, das geringe Schaltverluste aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterbauelements.
  • Herkömmliche Halbleiterbauelemente neigen häufig dazu, ein Schaltverhalten mit ausgeprägten Oszillationen und/oder Schaltverlusten zu zeigen.
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, ein verbessertes Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Halbleiterbauelements bereitzustellen.
  • Dieses Problem wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 und durch Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß den Ansprüchen 14 und 19 gelöst.
  • Ein erster Aspekt betrifft ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement besitzt einen Halbleiterkörper mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite entgegen gesetzten zweiten Seite. Die zweite Seite ist in einer ersten vertikalen Richtung von der ersten Seite beabstandet. Das Halbleiterbauelement weist außerdem einen gleichrichtenden Übergang auf, eine erste Feldstoppzone, die in dem Halbleiterkörper angeordnet ist, und eine Driftzone, die zwischen dem gleichrichtenden Übergang und der Feldstoppzone in dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Sowohl die Feldstoppzone als auch die Driftzone weisen einen ersten Leitungstyp auf. Entlang einer geraden Linie, die parallel zu der ersten vertikalen Richtung verläuft, weist der Halbleiterkörper eine Netto-Dotierungskonzentration NNET auf. Dabei gilt zumindest eines von (a) und (b):
    • a. Die Driftzone besitzt bei einer ersten Tiefe einen Dotierungsladungsschwerpunkt, wobei ein Abstand zwischen dem gleichrichtenden Übergang und dem Dotierungsladungsschwerpunkt kleiner ist, als 37% einer Dicke der Driftzone in der ersten vertikalen Richtung;
    • b. Der Absolutbetrag der Netto-Dotierungskonzentration weist entlang der geraden Linie und innerhalb der Driftzonen einen lokalen Maximumswert auf.
  • Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren enthält die Schritte Bereitstellen eines Halbleiterträgers, Erzeugen eines Halbleitergebildes auf dem Halbleiterträger, wobei auf den Halbleiterträger eine kristalline Halbleiterstruktur epitaktisch aufgewachsen wird, und, nachfolgend, Entfernen des Halbleiterträgers, so dass ein Halbleiterbauelement verbleibt, das einen Halbleiterkörper mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite entgegen gesetzten zweiten Seite aufweist. Die zweite Seite ist in einer ersten vertikalen Richtung von der ersten Seite beabstandet. Das Halbleiterbauelement weist außerdem einen gleichrichtenden Übergang auf, eine erste Feldstoppzone, die in dem Halbleiterkörper angeordnet ist, und eine Driftzone, die zwischen dem gleichrichtenden Übergang und der Feldstoppzone in dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Sowohl die Feldstoppzone als auch die Driftzone weisen einen ersten Leitungstyp auf. Entlang einer geraden Linie, die parallel zu der ersten vertikalen Richtung verläuft, weist der Halbleiterkörper eine Netto-Dotierungskonzentration NNET auf. Dabei gilt zumindest eines von (a) und (b):
    • a. Die Driftzone besitzt bei einer ersten Tiefe einen Dotierungsladungsschwerpunkt, wobei ein Abstand zwischen dem gleichrichtenden Übergang und dem Dotierungsladungsschwerpunkt kleiner ist, als 37% einer Dicke der Driftzone in der ersten vertikalen Richtung;
    • b. Der Absolutbetrag der Netto-Dotierungskonzentration weist entlang der geraden Linie und innerhalb der Driftzonen einen lokalen Maximumswert auf.
  • Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren enthält die Schritte Bereitstellen eines Halbleiterkörpers, der eine erste Seite und eine der ersten Seite entgegen gesetzte zweite Seite aufweist. Elektrisch aktive erste und zweite Dotierstoffe, die einen ersten Leitungstyp hervorrufen, werden durch die erste Seite in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Die ersten Dotierstoffe weisen in dem Halbleiterkörper einen Diffusionskoeffizienten auf, der höher ist, als ein Diffusionskoeffizient der zweiten Dotierstoffe. Außerdem wird ein gleichrichtender Übergang erzeugt, sowie eine Feldstoppzone vom ersten Leitungstyp, die in dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Der resultierende Halbleiterkörper weist ferner eine Driftzone vom ersten Leitungstyp auf, die in dem Halbleiterkörper zwischen dem gleichrichtenden Übergang und der Feldstoppzone angeordnet ist. Das fertige Halbleiterbauelement besitzt einen Halbleiterkörper mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite entgegen gesetzten zweiten Seite. Die zweite Seite ist in einer ersten vertikalen Richtung von der ersten Seite beabstandet. Das Halbleiterbauelement weist außerdem einen gleichrichtenden Übergang auf, eine erste Feldstoppzone, die in dem Halbleiterkörper angeordnet ist, und eine Driftzone, die zwischen dem gleichrichtenden Übergang und der Feldstoppzone in dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Sowohl die Feldstoppzone als auch die Driftzone weisen einen ersten Leitungstyp auf. Entlang einer geraden Linie, die parallel zu der ersten vertikalen Richtung verläuft, weist der Halbleiterkörper eine Netto-Dotierungskonzentration NNET auf. Dabei gilt zumindest eines von (a) und (b):
    • a. Die Driftzone besitzt bei einer ersten Tiefe einen Dotierungsladungsschwerpunkt, wobei ein Abstand zwischen dem gleichrichtenden Übergang und dem Dotierungsladungsschwerpunkt kleiner ist, als 37% einer Dicke der Driftzone in der ersten vertikalen Richtung;
    • b. Der Absolutbetrag der Netto-Dotierungskonzentration weist entlang der geraden Linie und innerhalb der Driftzonen einen lokalen Maximumswert auf.
  • Nachfolgend werden beispielhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen ausführlicher erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis des Grundprinzips erforderlichen Aspekte veranschaulicht sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 2 ist ein Beispiel eines Dotierungsprofils eines Halbleiterbauelements der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterbauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Beispiels der Halbleiterbauelemente gemäß den 3 und 4 in einer Querschnittsebene E1-E1 bzw. E2-E2.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Beispiels der Halbleiterbauelemente gemäß den 3 und 4 in einer Querschnittsebene E1-E1 bzw. E2-E2.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines IGBTs gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • 8 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Beispiels des IGBTs gemäß 7 in einer Querschnittsebene E3-E3.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Beispiels des IGBTs gemäß 7 in einer Querschnittsebene E3-E3.
  • 10 ist ein weiteres Beispiel eines Dotierungsprofils eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Dotierungsprofil innerhalb der Driftzone einen treppenstufenförmigen Verlauf besitzt.
  • 11 ist ein weiteres Beispiel eines Dotierungsprofils eines Halbleiterbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Dotierungsprofil innerhalb der Driftzone einen säulenförmigen Verlauf besitzt.
  • Die 12A–12G veranschaulichen verschiedene Schritte eines möglichen Verfahrens zur Herstellung eins Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Aspekt.
  • Die 13A–13C veranschaulichen verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Minoritätsladungsträger abgebenden Struktur.
  • Die 14A–14B veranschaulichen verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone.
  • Die 15A–15H veranschaulichen verschiedene Schritte eines weiteren möglichen Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Aspekt.
  • Die 16A–16C veranschaulichen verschiedene Schritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das eine Driftzone mit einer tief in dem Halbleiterkörper lokalisierten, maximalen Dotierungskonzentration aufweist.
  • Die 17A–17B veranschaulichen ein Verfahren zur lokalen Erhöhung der Dotierungskonzentration innerhalb einer Driftzone eines herzustellenden Halbleiterbauelements.
  • Die 18A–18D veranschaulichen verschiedene Verfahren zur lokalen Herstellung einer Feldstoppzone.
  • 19 veranschaulicht einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements, das einen vertikalen Randabschluss aufweist.
  • 20A zeigt das Schaltverhalten einer herkömmlichen Diode, die eine Driftzone mit konstanter Netto-Dotierungskonzentration aufweist.
  • 20B zeigt das Schaltverhalten einer Diode gemäß 20A, die jedoch zusätzlich eine Minoritätsladungsträger abgebende Struktur aufweist, die in die Feldstoppzone eingebettet ist.
  • 20C zeigt das Schaltverhalten einer Diode, die eine Driftzone mit einem Dotierungsladungsschwerpunkt aufweist, der in einem Abstand von weniger als 37% der Dicke der Driftzone von dem gleichrichtenden Übergang beabstandet ist.
  • 21 zeigt das Sperrverhalten einer Diode gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer herkömmlichen Diode.
  • 22 veranschaulicht das elektrische Feld von Halbleiterbauelementen, die Dotierungsprofile gemäß den 2, 10 und 11 aufweisen, wenn der gleichrichtende Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist (engl.: „reverse biased“).
  • 23 vergleicht das Abschaltverhalten einer Diode, die eine Minoritätsladungsträger abgebende Struktur aufweist, und das Abschaltverhalten einer Diode, die keine Minoritätsladungsträger abgebende Struktur aufweist, wobei das Abschalten jeweils beim Nennstrom der Diode erfolgt.
  • 24 veranschaulicht die Auswirkung einer Ladungsträger abgebenden Struktur auf das Abschaltverhalten der Dioden gemäß 23, wobei jedoch das Abschalten bei einem Zehntel des Nennstroms der Dioden erfolgt.
  • 25 veranschaulicht verschiedene Dotierungsprofile von Driftzonen von Halbleiterbauelementen gemäß 2, die in der Driftzone verschiedene Gradienten der Netto-Dotierungskonzentration aufweisen.
  • 26 veranschaulicht die Peak-Spannungen, die auftreten, wenn die Halbleiterbauelemente gemäß 25 abgeschaltet werden.
  • 27 veranschaulicht für die Dotierungsprofile gemäß 25 die kumulierte Dotierungsdosis der Driftzone.
  • 28 veranschaulicht für die Halbleiterbauelemente gemäß 27 die Position des Dotierungsladungsschwerpunkts der Driftzone.
  • 29 veranschaulicht für die Dotierungsprofile der 2, 10 und 11 die kumulierte Dotierungsdosis der Driftzone.
  • Sofern nicht anders angegeben, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Waferbereiche oder Bauelementbereiche mit derselben Bedeutung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil davon darstellen, und in denen anhand der Veranschaulichung konkreter Ausführungsbeispiele gezeigt wird, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen beispielhaften Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes erwähnt ist.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterbauelements 1, bei dem es sich um einzelnes Halbleiterbauelement handeln kann, oder um eines von einer Vielzahl von identischen oder nicht-identischen Halbleiterbauelement, die monolithisch in einen gemeinsamen Halbleiterwafer integriert sind.
  • In jedem Fall besitzt das Halbleiterbauelement 1 einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Seite 101 und einer zur ersten Seite 101 entgegen gesetzten zweiten Seite 102. Die zweite Seite 102 ist in einer ersten vertikalen Richtung v1, die senkrecht zur zweiten Seite 102 verlaufen kann, von der ersten Seite 101 beabstandet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die erste vertikale Richtung v1 nicht nur eine Achse impliziert, sondern auch eine Orientierung. Das bedeutet, dass die erste Seite 101 nicht in der ersten vertikalen Richtung v1, sondern in der entgegen gesetzten Richtung von der zweiten Seite 102 beabstandet ist. Optional können von der ersten und zweiten Seite 101, 102 eine oder beide planar oder im Wesentlichen planar sein und parallel zueinander verlaufen.
  • Bei einer Tiefe d111 weist das Halbleiterbauelement 1 einen gleichrichtenden Übergang 111 auf, hier einen pn-Übergang. Sofern nicht anders angegeben, ist eine "Tiefe" im Sinn der vorliegenden Erfindung in der ersten vertikalen Richtung v1 relativ zu der ersten Seite 101 zu ermitteln. Eine Driftzone 118, die einen ersten Leitungstyp aufweist (hier: "n–"), ist benachbart zu dem gleichrichtenden Übergang 111 zwischen dem gleichrichtenden Übergang 111 und der zweiten Seite 102 angeordnet. Das Halbleiterbauelement 1 weist weiterhin eine Feldstoppzone 119 auf, die einen ersten Leitungstyp (hier: "n+") besitzt und die entgegen gesetzt dem gleichrichtenden Übergang 111 an die Driftzone 118 angrenzt. Das heißt, die Driftzone 118 ist zwischen dem gleichrichtenden Übergang 111 und der Feldstoppzone 119 angeordnet.
  • Eine erste Hauptelektrode 151 ist auf einer ersten Seite 101 angeordnet, und eine zweite Hauptelektrode 152 ist auf der zweiten Seite 102 angeordnet. Die erste und zweite Elektrode 151, 152 können beide Metallelektroden sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement 1 eine Diode, bei der die erste Hauptelektrode 151 eine Anodenelektrode und die zweite Hauptelektrode 152 eine Kathodenelektrode ist.
  • Das Bauelement kann auch eine Emitterzone 125 aufweisen, die zwischen der Driftzone 118 und der zweiten Seite 102 angeordnet ist. Eine derartige Emitterzone 125 besitzt eine höhere Dotierungskonzentration als die Driftzone 118 und bildet einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Hauptelektrode 102. Die Dosis der implantierten Dotierstoffatome einer Emitterzone 125 kann im Bereich von 1·1015 cm–2 und 5·1015 cm–2 (1E15 cm–2 und 5E15 cm–2) liegen.
  • Der Leitungstyp der Emitterzone 125 kann von der Art des Halbleiterbauelements 1 abhängen. Im Fall einer Diode besitzt die Emitterzone 125 denselben Leitungstyp wie die Driftzone 118. Sofern ein Halbleiterbauelement eine Feldstoppzone 119 aufweist, ist die Emitterzone 125 zwischen der Feldstoppzone 119 und der zweiten Seite 102 angeordnet.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gleichrichtende pn-Übergang 111 zwischen der Driftzone 118 und einer stark (hier: p+) dotierten Halbleiterzone 117 ausgebildet, die einen zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyp aufweist und zwischen der ersten Seite 101 und der Driftzone 118 angeordnet ist. Die stark (hier: p+) dotierte Halbleiterzone 117 wird auch als "Bodyzone" bezeichnet.
  • Alternativ zu einem gleichrichtenden pn-Übergang kann es sich bei dem gleichrichtenden Übergang 111 auch um einen Schottky-Übergang handeln. In diesem Fall wäre d111 gleich 0, und die erste Hauptelektrode 151 wäre eine Schottkymetall-Elektrode. Im Fall eines Schottky-Übergangs 111 gibt es keine Halbleiterzone 117, so dass die erste Hauptelektrode 151 die Driftzone 118 direkt kontaktiert, was bedeutet, dass sich die Driftzone 118 bis zu der ersten Seite 101 erstreckt.
  • In der ersten vertikalen Richtung v1 besitzt der Halbleiterkörper 100, entlang einer geraden Line g, die parallel zu der ersten vertikalen Richtung v1 verläuft, eine Netto-Dotierungskonzentration NNET, bei der es sich um die Differenz ND-NA zwischen der Donatorkonzentration ND und der Akzeptorkonzentration NA handelt. Ein Beispiel für einen Absolutbetrag │NNET│ der Netto-Dotierungskonzentration NNET des Halbleiterkörpers 100 gemäß 1 entlang der geraden Linie g ist in 2 gezeigt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Netto-Dotierungskonzentration auf die Konzentration der elektrisch aktiven Ladungsträger, d.h. auf Elektronen oder Löcher.
  • Bei dem gleichrichtenden Übergang 111, d.h. bei der Tiefe d111, ist die Netto-Dotierungskonzentration NNET gleich 0 (wegen der logarithmischen Skalierung der Ordinatenachse in 2 nicht gezeigt). Sowohl die Driftzone 118 als auch die Feldstoppzone 119 besitzen den ersten Leitungstyp. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der erste Leitungstyp "n". Das heißt, es liegt ein Überschuss von Donatoren gegenüber Akzeptoren vor. Bei einer Tiefe d112 endet die Driftzone 118, und die Feldstoppzone 119 beginnt. In anderen Worten, die Grenze zwischen der Driftzone 118 und der Feldstoppzone 119 ist bei der Tiefe d112 lokalisiert.
  • Grundsätzlich gilt, dass die Tiefe d112 in einem zusammenhängenden Gebiet (hier: 118 + 119) lokalisiert ist, das den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist und von dem gleichrichtenden Übergang 114 zu der zweiten Seite 102 hin ausgeht. Die Tiefe d112 ist – von dem gleichrichtenden Übergang 111 beabstandet – bei der geringsten Dotierungskonzentration MIN sämtlicher lokaler Minima lokalisiert, die das zusammenhängende Gebiet in der ersten vertikalen Richtung v1 aufweist. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass ein lokales Minimum, das an dem gleichrichtenden Übergang 111 auftreten kann (z.B. wenn der gleichrichtende Übergang 111 ein pn-Übergang ist) nicht als eines der erwähnten lokalen Minima angesehen wird. Wenn das zusammenhängende Gebiet für mehr als eine Stelle mit derselben niedrigsten Dotierungskonzentration aufweist, ist die Tiefe d112 durch die Tiefe derjeniger aller Stellen festgelegt, die am Weitesten von dem gleichrichtenden Übergang 111 entfernt ist.
  • Innerhalb der Feldstoppzone 119 besitzt die Dotierungskonzentration einen positiven Gradienten dM/dv1, wobei M das Absolutmaß der Netto-Dotierungskonzentration NNET in cm–3 ist. Wenn beispielsweise NNET = 5·1013 cm–3 (5E13 cm–3) ist, ist M gleich 5·1013 oder 5E13. Allgemein ist der Gradient dM/dv1 gleich dem Gradienten d(NNET·cm3)/dv1.
  • Optional kann eine Feldstoppzone 119 eine Ladungsträgerdosis von wenigstens 50% der Durchbruchsladung des Halbleitermaterials aufweisen. Die Ladungsträgerdosis der Feldstoppzone 119 ist definiert als das Integral der Netto-Dotierungskonzentration NNET entlang der geraden Linie g über den Tiefenbereich der Feldstoppzone 119. Beispielsweise liegt die Durchbruchsladung von Silizium bei etwa 1,4·1012 cm–2 (1,4E12 cm–2), und sie entspricht einer Durchbruchsfeldstärke von etwa 2·105 V/cm (2E5 V/cm), und die Durchbruchsladung von Siliziumkarbid liegt bei etwa 1,4·1013 cm–2 (1,4E13 cm–2) und sie entspricht einer Durchbruchsfeldstärke von etwa 2·106 V/cm (2E6 V/cm).
  • Weiterhin wird der Maximalwert, den der Absolutbetrag der Netto-Dotierungskonzentration │NNET│ entlang der geraden Linie g und innerhalb der Driftzone 118 aufweist, mit MAX bezeichnet. Der Maximalwert MAX ist bei einer Tiefe d114 lokalisiert, die größer als d111 und kleiner d112 ist. Das heißt, der Abstand zwischen dem Dotierungsladungsschwerpunkt und dem gleichrichtenden Übergang 111 ist größer als Null und kleiner als 37% der Dicke t118, die die Driftzone 118 in der ersten vertikalen Richtung v1 aufweist.
  • Optional kann die Tiefe d114, auch bei den weiteren, hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen, so gewählt sein, dass d111 < d114 < d111 + 0,50·t118 ist. In anderen Worten, der Abstand zwischen der Stelle des Maximalwerts MAX und dem gleichrichtenden Übergang 114 ist größer als Null und kleiner als 50% der Dicke t118, die die Driftzone 118 in der ersten vertikalen Richtung v1 aufweist.
  • In der ersten vertikalen Richtung v1 weist die Driftzone 118 eine Dicke t118 auf, und, bei einer ersten Tiefe d1, einen Dotierungsladungsschwerpunkt. Das heißt, es gilt folgende Gleichung:
    Figure DE102015115723A1_0002
  • Dabei ist NNET die Netto-Dotierungskonzentration, v1 ist die erste vertikale Richtung, d111 ist die Tiefe des gleichrichtenden Übergangs 111, und d112 ist die Tiefe einer Grenze zwischen der Driftzone 118 und der Feldstoppzone 119. Die Stelle des Dotierungsladungsschwerpunkts ist so gewählt, dass d111 < d1 < d111 + 0,37·t118. Das heißt, der Abstand zwischen dem Dotierungsladungsschwerpunkt und dem gleichrichtenden Übergang 111 ist größer als Null und kleiner als 37% der Dicke t118, die die Driftzone 118 in der ersten vertikalen Richtung v1 aufweist.
  • Gemäß einem optionalen ersten Merkmal, das in jedem Halbleiterbauelement realisiert werden kann, welches eine Driftzone aufweist, besitzt der Zehner-Logarithmus des Produkts (NNET·cm3) in der Driftzone 118 bei einer zweiten Tiefe d2 und in der ersten vertikalen Richtung v1 einen (negativen) Gradienten von weniger als –0,01/µm (minus 0,01/µm), oder sogar von weniger als –0.02/µm (minus 0,02/µm). Das heißt, die Netto-Dotierungskonzentration NNET verringert sich ausgehend von der zweiten Tiefe d2 in Richtung der zweiten Seite 102. Der Gradient des Produkts (NNET·cm3) bei d2 ist gleich der Neigung der Tangente t an die Kurve des Produkts (NNET·cm3) bei der zweiten Tiefe d2. Die zweite Tiefe d2 ist größer als d111 und kleiner als d112.
  • Optional kann es einen Tiefenbereich Δd2 von einer Tiefe d21 bis zu einer Tiefe d22 geben (d.h. Δd2 = d22 – d21), innerhalb dem für jede zweite Tiefe d2 mit d21 ≤ d2 ≤ d22 das oben erwähnte Kriterium gilt, dass der Zehner-Logarithmus des Produkts (NNET·cm3) in der Driftzone 118 bei der zweiten Tiefe d2 und in der ersten vertikalen Richtung v1 einen (negativen) Gradienten von weniger als –0,01/µm (minus 0,01/µm) aufweist, oder sogar von weniger als –0,02/µm (minus 0,02/µm). Der Unterschiedstiefenbereich Δd2 kann, beispielsweise, wenigstens 10% der Dicke t118 der Driftzone 118 betragen.
  • Beim Abschalten des Halbleiterbauelements kann der Reverse-Recovery-Strom mit einer nahezu unendlichen Flanke plötzlich abreißen. In Kombination mit unvermeidlichen Streuinduktivitäten können hohe induzierte Spannungen auftreten. Dies kann zu einer Zerstörung des Halbleiterbauelements selbst oder zu der Zerstörung eines mit dem Halbleiterbauelement verbundenen Bauelements führen. Um das Schaltverhalten des Halbleiterbauelements weicher zu machen, kann optional eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur vorgesehen sein, um bis zum Ende des Recovery-Prozesses einen Minoritätsladungsträger-(hier: Löcher-)-Stromfluss zu gewährleisten. Wenn das Halbleiterbauelement 1 abgeschaltet wird, breitet sich eine Raumladungszone, die von dem gleichrichtenden Übergang 111 ausgeht, in Richtung der zweiten Seite 102 aus. Sobald die Raumladungszone die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 erreicht, injiziert die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 Minoritätsladungsträger, was einen plötzlichen Stromabriss verhindert. Das heißt, die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 erhöht die "Weichheit" des Schaltverhaltens des Halbleiterbauelements 1.
  • Es werden nun Beispiele für mögliche Minoritätsladungsträger bereitstellende Strukturen 121 unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 erläutert. Wie in den 3 bis 6 gezeigt ist, kann eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 von einem zweiten Leitungstyp (hier: "p"), der komplementär zum ersten Leitungstyp (hier: "n") ist, in die Feldstoppzone 119 eingebettet sein. Die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 kann derart in die Feldstoppzone 119 eingebettet sein, dass sich ein jeder von einer Vielzahl von Abschnitten der Feldstoppzone 119 durchgehend zwischen der Driftzone 118 und der ersten Seite 102 erstreckt. Eine derartige Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 kann sich bis zur zweiten Seite 102 erstrecken, wo sie elektrisch an die zweite Hauptelektrode 152 angeschlossen ist, siehe 3, und/oder sie kann von der zweiten Seite 102 beabstandet sein, siehe 4. Im zuletzt genannten Fall, kann die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 floatend sein.
  • Der Zweck der Minoritätsladungsträger bereitstellenden Strukturen 121 besteht darin, das Schaltverhalten des Halbleiterbauelements 1 weicher zu machen. Wenn das Halbleiterbauelement 1 abgeschaltet wird, werden die beweglichen Ladungsträger aus der Driftzone 118 entfernt. Während des Recovery-Prozesses tritt in der Driftzone 118 eine Verarmungszone auf, die von dem gleichrichtenden Übergang in Richtung der Feldstoppzone 119 wächst. Am Ende dieses Prozesses erstreckt sich die Verarmungszone im Wesentlichen bis zu der Feldstoppzone 119, und zu dieser Zeit würde der elektrische Strom durch den Halbleiterkörper 100 – wenn kein Ladungsträger übrig wären oder wenn keine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 vorhanden wäre – rapide abfallen würde (Rückwärtsstromabriss). Als Ergebnis eines derartigen ungünstigen Abschaltverhaltens können ungewünschte hohe Spannungen in Induktivitäten auftreten, die mit dem Halbleiterbauelement 1 verbunden sind. Die Situation wird umso kritischer, je höher die Schaltgeschwindigkeit des IGBTs ist ("harte Schaltbedingungen"), oder je geringer die Stromdichte wird (z.B. 1/10 des Nominalstroms).
  • Außerdem können ungewünschte Spannungsoszillationen auftreten. Zu der Zeit, zu der sich die Verarmungszone im Wesentlichen bis zu der Feldstoppzone 119 erstreckt, injiziert die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 Ladungsträger (Löcher im Fall einer p-dotierten, Minoritätsladungsträger bereitstellenden Struktur 121) in die Feldstoppzone 119 und macht das "bissige" (engl.: „snappy“) Abschaltverhalten weicher. Das heißt, bei einem Halbleiterbauelement, das eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 aufweist, ist der maximale Absolutbetrag der zeitlichen Ableitung des Stroms während der Auslaufphase (engl.: "tail phase") geringer, als er ohne die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 wäre, vergleiche z.B. die 23 und 24.
  • 5 veranschaulicht ein Beispiel einer Querschnittsansicht der Halbleiterbauelemente gemäß den 3 und 4 in Querschnittsebenen E1-E1 bzw. E2-E2, und 6 veranschaulicht ein weiteres Beispiel. Eine jede der Querschnittsebenen E1-E1 und E2-E2 schneidet sowohl die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121, als auch die Feldstoppzone 119. Wie aus 5 ersichtlich ist, kann eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 eine Vielzahl von Inseln aufweisen, die beabstandet voneinander angeordnet sind, oder, wie in 6 gezeigt ist, netzartig sein.
  • Die in den 1 und 3 bis 6 gezeigten und/oder unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläuterten Halbleiterbauelemente sind Dioden. Allerdings können dieselben Kriterien und Optionen, die unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert wurden, ebenso auf MOSFETs, IGBTs, Thyristoren oder jedes andere Halbleiterbauelement angewendet werden, das eine Driftzone 118 aufweist, die zwischen einem gleichrichtenden Übergang 111 und einer Feldstoppzone 119 angeordnet ist. Allerdings gibt es eine Ausnahme, die IGBTs betrifft: Wie beispielhaft in 7 gezeigt ist, erstreckt sich die Feldstoppzone 119 nicht bis zu der zweiten Seite 102. Stattdessen gibt es eine Kollektorzone 125 (manchmal auch als "Emitterzone" bezeichnet), die zwischen der Feldstoppzone 119 und der zweiten Seite 102 angeordnet ist. Die Kollektorzone 125 besitzt einen zum Leitungstyp der Feldstoppzone 119 komplementären Leitungstyp, und sie kann sich durchgehend zwischen der Feldstoppzone 119 und der zweiten Seite 102 erstrecken.
  • Die Weichheit des Schaltverhaltens des IGBTs 1 kann durch eine Kollektorzone 125 erhöht werden, die eine erste Teilregion 123 und eine zweite Teilregion 124 aufweist, von denen jede eine zum ersten Leitungstyp (hier: "n") komplementären zweiten Leitungstyp (hier: "p") besitzt. Beide Teilregionen 123, 124 greifen ineinander und sind zwischen der Feldstoppzone 119 und der zweiten Seite 102 angeordnet. Die erste Teilregion weist eine Netto-Dotierungskonzentration auf, die höher ist, als eine Netto-Dotierungskonzentration der geringsten zweiten Teilregion 124, so dass die Netto-Dotierungskonzentration der Kollektorzone 125 entlang einer geraden Linie h, die senkrecht zu der ersten vertikalen Richtung v1 verläuft und die Kollektorzone 125 schneidet, mehrere lokale Maxima und mehrere lokale Minima aufweist. Beispielsweise kann die gerade Linie h einen ersten Punkt H1 aufweisen, der in der ersten Teilregion 123 lokalisiert ist, und einen zweiten Punkt H2, der in der zweiten Teilregion 124 lokalisiert ist. Die Kollektorzone 125 besitzt eine erste Netto-Dotierungskonzentration an dem ersten Punkt H1, und eine zweite Netto-Dotierungskonzentration an dem zweiten Punkt H2, die sich von der ersten Netto-Dotierungskonzentration unterscheidet.
  • Wie jeder IGBT besitzt der IGBT 1 gemäß 7 außerdem eine Sourcezone 115 vom ersten Leitungstyp (hier: "n"), und zusätzlich zu der ersten Hauptelektrode 151 (Source) und der zweiten Hauptelektrode 152 (Drain) eine Steuerelektrode 153 (Gate), die gegenüber dem Halbleiterkörper 100 durch ein Gatedielektrikum 163 elektrisch isoliert ist. Die Sourcezone 115 ist elektrisch an die erste Hauptelektrode 151 angeschlossen, und ein weiterer pn-Übergang 113 ist zwischen der Sourcezone 115 und der stark dotierten Halbleiterzone 117 ausgebildet, die auch als "Bodyzone" bezeichnet wird. Optional kann die Steuerelektrode 153 in einem Graben angeordnet sein, der sich von der ersten Seite 101 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt.
  • 8 veranschaulicht ein Beispiel einer Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 1 gemäß 7 in einer Querschnittsebene E3-E3, und 9 veranschaulicht ein weiteres Beispiel. Wie 8 zu entnehmen ist, kann die erste Teilregion 123 eine Vielzahl von Inseln aufweisen, die von einander beabstandet sind, oder, wie in 9 gezeigt, netzartig sein.
  • Jedes Halbleiterbauelement 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Dotierungsprofil aufweisen, wie es oben unter Bezugnahme auf 2 erläutert wurde. Die Prinzipien weiterer Dotierungsprofile entlang einer geraden Linie g, die parallel zur ersten Richtung v1 verläuft, wird nun unter Bezugnahme auf die 10 und 11 erläutert. Die Dotierungsprofile der 2, 10 und 11 unterscheiden sich von einander lediglich im Dotierungsprofil der Driftzonen 118.
  • Das Dotierungsprofil gemäß 10 weist ein treppenstufenförmiges Profil mit wenigstens einer oder wenigstens zwei oder wenigstens drei Stufen 11, 12, 13, 14 auf. Innerhalb einer jeder der Stufen 11, 12, 13, 14 ist die Netto-Dotierungskonzentration NNET konstant. Sofern wenigstens zwei Stufen vorhanden sind, kann das Dotierungsprofil so eingestellt sein, dass für zwei beliebige der Stufen diejenige, die näher an der ersten Seite 101 angeordnet ist, die höhere Netto-Dotierungskonzentration NNET aufweist. Gemäß der oben unter Bezugnahme auf 2 erwähnten Definition wird die Stelle der Tiefe d112, d.h. die Tiefe der Grenze zwischen der Driftzone 118 und der Feldstoppzone 119, wie folgt bestimmt: In einem ersten Schritt ist ein zusammenhängender Bereich zu ermitteln, der den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, und der sich ausgehend von dem gleichrichtenden Übergang 111 in Richtung der zweiten Seite 102 erstreckt. Bei dem vorliegenden Beispiel geht der zusammenhängende Bereich von dem gleichrichtenden Übergang aus und erstreckt sich bis zu der zweiten Seite 102. In einem zweiten Schritt sind sämtliche lokalen Minima des zusammenhängenden Bereichs zu ermitteln, die verschieden sind von einem möglichen lokalen Minimum an dem gleichrichtenden Übergang 111. Bei dem vorliegenden Beispiel gibt es lediglich ein lokales Minimum in einem Tiefenbereich zwischen etwa 70 µm und 85 µm. Da die Dotierungskonzentration innerhalb dieses Tiefenbereichs im Wesentlichen konstant ist (MIN), gibt es mehr als eine Stelle, die dieselbe geringste Dotierungskonzentration MIN aufweist. In einem derartigen Fall ist die Tiefe d112 durch die Tiefe derjenigen all dieser Stellen, die dieselbe geringste Dotierungskonzentration MIN aufweisen, festgelegt, die am Weitesten von dem gleichrichtenden Übergang 111 entfernt ist.
  • Gemäß einer weiteren, in 11 veranschaulichten Ausgestaltung kann ein Dotierungsprofil zumindest ein oder zumindest zwei oder zumindest drei Säulen 21, 22, 23 aufweisen. Wenn wenigstens zwei Säulen 21, 22, 23 vorhanden sind, kann das Dotierungsprofil so eingestellt sein, dass für zwei beliebige der Säulen 21, 22, 23 diejenige, die näher an der ersten Seite 101 angeordnet ist, die höhere Netto-Dotierungskonzentration NNET aufweist. Gemäß der oben unter Bezugnahme auf 2 erwähnten Definition wird die Stelle der Tiefe d112, d.h. die Tiefe der Grenze zwischen der Driftzone 118 und der Feldstoppzone 119, wie folgt bestimmt: In einem ersten Schritt ist ein zusammenhängender Bereich zu ermitteln, der den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, und der sich ausgehend von dem gleichrichtenden Übergang 111 in Richtung der zweiten Seite 102 erstreckt. Bei dem vorliegenden Beispiel geht der zusammenhängende Bereich von dem gleichrichtenden Übergang aus und erstreckt sich bis zu der zweiten Seite 102. In einem zweiten Schritt sind sämtliche lokalen Minima des zusammenhängenden Bereichs zu ermitteln, die verschieden sind von einem möglichen lokalen Minimum an dem gleichrichtenden Übergang 111. Bei dem vorliegenden Beispiel gibt es drei lokale Minima: ein erstes lokales Minimum zwischen der ersten Säule 21 und der zweiten Säule 22, ein zweites lokales Minimum zwischen der zweiten Säule 22 und der dritten Säule 23, und ein drittes lokales Minimum zwischen der dritten Säule 23 und einer Tiefe von etwa 85 µm. Da die Dotierungskonzentration innerhalb dieser lokalen Minima im Wesentlichen konstant ist (MIN), gibt es mehr als eine Stelle, die dieselbe geringste Dotierungskonzentration MIN aufweisen. Daher ist die Tiefe d112 durch die Tiefe von derjenigen von all jenen Stellen, die dieselbe geringste Dotierungskonzentration MIN aufweisen, festgelegt, die am Weitesten von dem gleichrichtenden Übergang 111 entfernt ist.
  • Ein treppenstufenförmiger und/oder säulenförmiger Verlauf des Dotierungsprofils oder eines Abschnitts des Dotierungsprofils ermöglicht eine Näherung eines glatten Dotierungsprofils, wie es beispielsweise unter Bezugnahme auf 2 erläutert wurde, insbesondere des Dotierungsprofils einer Driftzone.
  • Um ein Halbleiterbauelement herzustellen, wie es oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 erläutert wurde, kann ein kristalliner Halbleiterträger 200 verwendet werden, siehe 12A. Dann kann in mehreren aufeinander folgenden Schritten ein Halbleitergebilde auf dem Halbleiterträger erzeugt werden. Dabei kann eine kristalline Halbleiterstruktur epitaktisch auf den Halbleiterträger 200 aufgewachsen werden.
  • Nachdem das Halbleitergebilde vollständig oder teilweise fertig gestellt ist, kann der Halbleiterträger 200 entfernt werden, so dass der restliche Teil einen Halbleiterkörper enthält, der die Merkmale eines der oben beschriebenen Halbleiterkörper 100 aufweist, oder ein solcher Halbleiterkörper 100 ist.
  • Die 12A bis 12F veranschaulichen verschiedene Schritte der Herstellung eines Halbleiterkörpers 100, wie er für ein Halbleiterbauelement verwendet wird, das oben unter Bezugnahme auf die 1 und 3 bis 6 beschrieben wurde, das ein Dotierungsprofil gemäß den unter Bezugnahme auf die 2, 10 oder 11 erläuterten Prinzipien aufweist.
  • Nach der Bereitstellung eines wie in 12A dargestellten Halbleiterträgers 200 wird eine stark dotierte Halbleiterzone 119', die den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, epitaktisch auf den Halbleiterträger 200 aufgewachsen, was im Ergebnis in 12B gezeigt ist.
  • Dann werden Dotierstoffe, die den zweiten Leitungstyp hervorrufen, unter Verwendung irgendeines herkömmlichen Verfahrens wie beispielsweise maskierte Diffusion oder maskierte Implantation in die Halbleiterzone 119' eingebracht, um in der Halbleiterzone 119' die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 zu erzeugen, die den zweiten Leitungstyp (hier: "p") aufweist. Das Ergebnis ist in 12C dargestellt. Optional kann das epitaktische Wachstum der Halbleiterzone 119' fortgesetzt werden, wie dies im Ergebnis in 12D gezeigt ist.
  • Dann kann auf die Seite der Halbleiterzone 119, die dem Halbleiterträger 200 abgewandt ist, eine schwach dotierte Halbleiterzone 118', die den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, epitaktisch aufgewachsen werden. Das Ergebnis ist in 12E dargestellt.
  • Dann können zur Herstellung der Halbleiterzone 117, die den zweiten Leitungstyp (hier: "p") aufweist, Dotierstoffe, die den zweiten Leitungstyp hervorrufen, unter Verwendung irgendeines herkömmlichen Verfahrens wie Diffusion oder Implantation in ein Teilgebiet der schwach dotierten Halbleiterzone 118' eingebracht werden, so dass der Leitungstyp des ersten Teilgebiets vom ersten Leitungstyp zum zweiten Leitungstyp invertiert wird, und dass zwischen der Halbleiterzone 117 und dem restlichen Teil 118 der Halbleiterzone 118' ein gleichrichtender Übergang 111 gebildet wird. Das Ergebnis ist eine Anordnung, wie sie in 12F gezeigt ist.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu, eine Halbleiterzone 117, die den zweiten Leitungstyp aufweist, durch das Einbringen von Dotierstoffen in ein Teilgebiet der schwach dotierten Halbleiterzone 118' herzustellen, kann das epitaktische Aufwachsen der schwach dotierten Halbleiterzone 118, die den ersten Leitungstyp aufweist, gestoppt werden, sobald das Wachstum das Niveau des herzustellenden gleichrichtenden Übergangs 111 erreicht hat. Dann kann die Halbleiterzone 117, die den zweiten Leitungstyp (hier: "p") aufweist, direkt auf die Seite der schwach dotierten Halbleiterzone 118' epitaktisch aufgewachsen werden, die dem Halbleiterträger 200 abgewandt ist, oder eine Schottkymetall-Elektrode kann direkt auf die dem Halbleiterträger 200 abgewandte Seite der schwach dotierten Halbleiterzone 118' abgeschieden werden. Wenn das Aufwachsen der schwach dotierten Halbleiterzone 118' auf dem Niveau des herzustellenden gleichrichtenden Übergangs gestoppt wird, kann die schwach dotierte Halbleiterzone 118' identisch sein mit der Driftzone 118 des fertig gestellten Halbleiterbauelements 1.
  • Wie oben erläutert enthält das auf dem Halbleiterträger 200 erzeugte Gebilde zumindest eine Halbleiterzone 119 vom ersten Leitungstyp und eine Driftzone 118 vom ersten Leitungstyp, optional auch eine Halbleiterzone 117, die den zweiten Leitungstyp aufweist, und/oder eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Zone 121.
  • Nach der Herstellung des oben erwähnten Gebildes auf dem Halbleiterträger 200 wird der Halbleiterträger 200 entfernt. Das Ergebnis ist in 12 dargestellt.
  • Ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Minoritätsladungsträger bereitstellenden Zone 121 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 13A bis 13C erläutert. Das Verfahren ist dasselbe wie das unter Bezugnahme auf die 12A bis 12G erläuterte Verfahren, jedoch ohne die Schritte, die für die maskierte Diffusion oder Implantation zur Herstellung der Minoritätsladungsträger bereitstellenden Zone 121 erforderlich sind. Stattdessen werden lediglich die stark dotierte Halbleiterzone 119', die Driftzone 118, und, sofern vorgesehen, die stark dotierte Halbleiterzone 117, wie vorangehend beschrieben, nacheinander epitaktisch aufgewachsen. Das Ergebnis ist in 13A gezeigt.
  • Nachfolgend wird der Halbleiterträger 200 entfernt, und es werden, wie in 13B veranschaulicht, Dotierstoffe, die den zweiten Leitungstyp hervorrufen, durch Öffnungen einer Maske 300 in die stark dotierte Halbleiterzone 119' implantiert oder diffundiert, um die Minoritätsladungsträger bereitstellende Zone 121 zu erzeugen. Die Dotierstoffe sind schematisch als Pfeile veranschaulicht. Das Ergebnis ist ein Halbleiterkörper 100, wie er in 13C dargestellt und unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben ist.
  • Die 14A und 14B veranschaulichen ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone 119 mit einer darin eingebetteten, Minoritätsladungsträger bereitstellenden Struktur.
  • Analog zu dem unter Bezugnahme auf die 12A bis 12G beschriebenen Verfahren veranschaulichen die 15A bis 15H verschiedene Schritte zur Herstellung eines Halbleiterkörpers 100, wie er für einen unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschriebenen IGBT 1 verwendet wird, der ein Dotierungsprofil gemäß den unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 erläutertes Dotierungsprofil aufweist. Insbesondere kann das Dotierungsprofil der Driftzone 118 dieselben Eigenschaften aufweisen, wie das Dotierungsprofil der unter Bezugnahme auf die 2, 10 und 11 erläuterten Driftzonen 118.
  • Nach der Bereitstellung eines Halbleiterträgers 200, wie er in 15A veranschaulicht ist, wird eine schwach dotierte Halbleiterzone 123', die den zweiten Leitungstyp (hier: "p") aufweist, epitaktisch auf den Halbleiterträger 200 aufgewachsen, was im Ergebnis in 15B gezeigt ist.
  • Dann werden zur Herstellung des ersten Teilgebiets 123, das den zweiten Leitungstyp (hier: "p") mit einer Netto-Dotierungskonzentration aufweist, die höher ist, als die Netto-Dotierungskonzentration der schwach dotierten Halbleiterzone 123' in der schwach dotierten Halbleiterzone 123', Dotierstoffe, die den zweiten Leitungstyp hervorrufen, unter Verwendung irgend eines herkömmlichen Verfahrens wie beispielsweise maskierte Diffusion oder maskierte Implantation in die schwach dotierte Halbleiterzone 123 eingebracht. Das Ergebnis ist eine Kollektorzone 125, die den zweiten Leitungstyp aufweist und die ein erstes Teilgebiet 123 und ein zweites Teilgebiet 124 aufweist, wie dies in 15C veranschaulicht und unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 erläutert ist.
  • Dann wird die Feldstoppzone 119, die den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, epitaktisch auf die dem Halbleiterträger 200 abgewandte Seite der Kollektorzone 125 aufgewachsen. Das Ergebnis ist in 15D gezeigt.
  • Dann kann eine schwach dotierte Halbleiterzone 118', die den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, epitaktisch auf die dem Halbleiterträger 200 abgewandte Seite der Halbleiterzone 119 aufgewachsen werden. Das Ergebnis ist in 15E veranschaulicht.
  • Dann können zur Herstellung einer stark dotierten Halbleiterzone 117', die den zweiten Leitungstyp (hier: "p") aufweist, Dotierstoffe, die den zweiten Leitungstyp hervorrufen, in ein Teilgebiet der schwach dotierten Halbleiterzone 118' unter Verwendung irgendeines herkömmlichen Verfahrens wie beispielsweise maskierte Diffusion oder maskierte Implantation eingebracht werden, so dass der Leitungstyp des Teilgebiets vom ersten Leitungstyp in den zweiten Leitungstyp invertiert wird, und dass zwischen der stark dotierten Halbleiterzone 117' und dem restlichen Teil 118' der Halbleiterzone 118' ein gleichrichtender Übergang 111 gebildet wird. Das Ergebnis ist eine Anordnung, wie sie in 12F gezeigt ist. Der restliche Teil 118 kann identisch sein mit der Driftzone 118 des herzustellenden Halbleiterbauelements 1.
  • Dann können zur Herstellung einer stark dotierten Sourcezone 115, die den ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, Dotierstoffe, die den ersten Leitungstyp hervorrufen, in ein Teilgebiet der stark dotierten Halbleiterzone 117' unter Verwendung irgendeines herkömmlichen Verfahrens wie maskierte Diffusion oder maskierte Implantation eingebracht werden, so dass der Leitungstyp des Teilgebiets der stark dotierten Halbleiterzone 117' vom zweiten Leitungstyp in den ersten Leitungstyp invertiert wird, und dass ein weiterer gleichrichtender Übergang 113 zwischen der stark dotierten Sourcezone 115 und dem restlichen Teil 117 der stark dotierten Halbleiterzone 117' gebildet wird. Das Ergebnis ist eine Anordnung, wie sie in 15G veranschaulicht ist. Der restliche Teil 117 kann identisch sein mit einer Bodyzone 118 des herzustellenden IGBTs.
  • Wie unter Bezugnahme auf die 15A bis 15G erläutert enthält das auf dem Halbleiterträger 200 hergestellte Gebilde zumindest eine Halbleiterzone 119 vom ersten Leitungstyp, sowie eine Driftzone 118 vom ersten Leitungstyp, optional auch eine Halbleiterzone 117 vom zweiten Leitungstyp und/oder eine Sourcezone 115 und/oder eine Kollektorzone 125 mit einem ersten Teilgebiet 123 und/oder ersten und zweiten Teilgebieten 123, 124, wie vorangehend unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschrieben.
  • Nach der Herstellung des oben erwähnten Gebildes auf dem Halbleiterträger 200 wird der Halbleiterträger 200 entfernt. Das Ergebnis ist ein in 15H gezeigter Halbleiterkörper 100.
  • Bei jedem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements 1 auf einem Halbleiterträger 200 kann es sich bei dem Halbleiterträger 200 um einen Halbleiterwafer handeln, z.B. um einen FZ-Wafer, einen CZ-Wafer, oder einen MCZ-Wafer. Grundsätzlich werden Halbleiterwafer von monokristallinen Halbleiter-Ingots abgeschnitten. Im Fall eines FZ-Wafers wird der betreffende Ingot unter Verwendung des Float-Zone-(FZ)-Verfahrens erzeugt, im Fall eines CZ-Wafers wird der betreffende Ingot unter Verwendung des Czochralski-(CZ)-Verfahrens hergestellt, und im Fall eines MCZ-Wafers, wird der betreffende Ingot unter Verwendung des magnetischen Czochralski-(MCZ)-Verfahrens hergestellt. Allerdings ist die Verwendung eines CZ-Wafers als Halbleiterträger 200 im Vergleich mit FZ- oder MCZ-Wafers kostengünstig. Die geringere Qualität von CZ-Wafern ist irrelevant, da der Halbleiterträger 200 zu einem späteren Zeitpunkt ohnehin entfernt wird. Im Prinzip kann der Durchmesser eines als Halbleiterträger 200 verwendeten Wafers frei gewählt werden. Beispielsweise kann der Durchmesser zumindest 8 Inch (20,32 cm) betragen.
  • Das Einstellen des Dotierungsprofils in den epitaktisch gewachsenen Zonen kann einfach dadurch erreicht werden, dass die Konzentration von Vorläufern der n- oder p-dotierenden Dotierstoffe in der Atmosphäre eines Reaktors, in dem die Epitaxie durchgeführt wird, geeignet gesteuert wird. Die Konzentration kann dadurch eingestellt werden, dass der Zufluss der Vorläufer in den Reaktor zeitabhängig gesteuert wird. Prinzipiell ermöglicht die Epitaxie die Herstellung verschiedener Dotierungsprofile.
  • Um vertikale Halbleiterbauelemente 1 herzustellen, die ein hohes Rückwärtsspannungssperrvermögen (engl.: „reverse blocking voltage capability“) aufweisen, muss die Driftzone eine ausreichende Dicke aufweisen. Als Konsequenz hiervon ist das Maximum MAX der Netto-Dotierungskonzentration der Driftzone 118 tief in dem Halbleiterkörper 100 lokalisiert, das heißt in einem vergleichsweise großen Abstand von der ersten Seite 101. Ein entsprechendes Dotierungsprofil kann nicht einfach mit einem einfachen Diffusionsprozess erreicht werden. Ein Ausweg besteht darin, die Driftzone 118 epitaktisch aufzuwachsen und dabei den Gasfluss der Vorläufer der Dotierstoffe, wie oben beschrieben, geeignet zu steuern. Ein alternatives Verfahren wird unter Bezugnahme auf die 14A bis 16C erläutert.
  • Nach der Bereitstellung eines unvollständigen Halbleiterkörpers 100' (z.B. eines Halbleiterwafers), der eine schwache Grunddotierung vom ersten Leitungstyp (hier: "n") aufweist, werden erste Dotierstoffe 411 durch die erste Seite 101 in den Halbleiterkörper 100' implantiert, siehe 16A. Die ersten Dotierstoffe 411 bewirken in dem Halbleiterkörper 100' den ersten Leitungstyp.
  • Dann wird auf die erste Seite 101 eine Schicht 420 aufgewachsen, die zweite Dotierstoffe 422 enthält, siehe 16B. Die zweiten Dotierstoffe 422 rufen in dem Halbleiterkörper 100' ebenfalls den ersten Leitungstyp hervor. Während eines ersten Temperaturprozesses werden die ersten und zweiten Dotierstoffe 411, 422 in den Halbleiterkörper 100' eindiffundiert. Während des ersten Temperaturprozesses können die Temperaturen des Halbleiterkörpers 100' wenigstens 900°C betragen, beispielsweise zwis chen 900°C und 1000°C liegen.
  • Die ersten Dotierstoffe 411 sind so ausgewählt, dass sie in dem Halbleiterkörper 100' einen Diffusionskoeffizienten aufweisen, der höher ist, als ein Diffusionskoeffizient der zweiten Dotierstoffe 422. Während des ersten Temperaturprozesses helfen die zweiten Dotierstoffe 422, die ersten Dotierstoffe tiefer in den Halbleiterkörper 100' einzudiffundieren, da die zweiten Dotierstoffe 422 Leerstellen belegen und dabei diese Leerstellen für die ersten Dotierstoffe 411 versperren und die ersten Dotierstoffe 411 dazu veranlassen, tiefer in den Halbleiterkörper 100' hineinzudiffundieren. Beispielsweise kann es sich bei der Schicht 420, die die zweiten Dotierstoffe enthält, um eine Siliziumoxidschicht handeln, die mit den zweiten Dotierstoffen 422 dotiert ist.
  • Optional kann es sich bei den ersten Dotierstoffen 411 um Doppel-Dotierstoffe handeln, und bei den zweiten Dotierstoffen 422 kann es sich um Einfach-Dotierstoffe handeln. Ein Einfach-Dotierstoff ist ein Atom, das, wenn es in den Halbleiterkörper 100' eingebracht wird, genau einen freien Ladungsträger bereitstellt, d.h. genau ein Elektron, wenn der Dotierstoff n-dotierend wirkt, und genau ein Loch, wenn der Dotierstoff p-dotierend wirkt. Entsprechend ist ein Doppeldotierstoff ein Atom, das, wenn es in den Halbleiterkörper 100' eingebracht wird, dazu in der Lage ist, bis zu zwei freie Ladungsträger bereitzustellen, d.h. bis zu zwei Elektronen, wenn der Dotierstoff n-dotierend wirkt, oder bis zu zwei Löcher, wenn der Dotierstoff p-dotierend wirkt.
  • Beispielsweise sind für einen Silizium-Halbleiterkörper 100' oder einen Siliziumkarbid-Halbleiterkörper 100' geeignete, n-dotierend wirkende Einfach-Dotierstoffe Atome der fünften (V) Hauptgruppe des Periodensystems (d.h. der Stickstoff-Phosphor-Gruppe), z.B. Phosphor, Arsen, Antimon, und geeignete Doppel-Dotierstoffe, die n-dotierend wirken, sind Atome der sechsten (VI) Hauptgruppe des Periodensystems (d.h. der Chalkogen-Gruppe), z.B. Schwefel, Selen, Tellur.
  • Weiterhin sind, ebenfalls für einen Silizium-Halbleiterkörper 100' oder einen Siliziumkarbid-Halbleiterkörper 100', geeignete, p-dotierend wirkende Einfach-Dotierstoffe Atome der dritten (III) Hauptgruppe des Periodensystems (d.h. der Bor-Gruppe), z.B. Bor, Aluminium, Indium, und geeignete Doppel-Dotierstoffe, die p-dotierend wirken, sind Atome der zweiten (II) Hauptgruppe des Periodensystems (d.h. der Erdalkalimetalle).
  • Nach dem ersten Temperaturprozess kann die (z.B. Siliziumoxidbasierte) Schicht 420 entfernt werden. Der resultierende Halbleiterkörper 100' ist in 16C gezeigt.
  • Bei dem Halbleiterkörper 100', der für die in Verbindung mit den 16A bis 16C beschriebenen Verfahren verwendet wird, kann es sich optional um einen MDZ- oder MCZ-Wafer handeln.
  • Gemäß einer weiteren Option kann der bereitgestellte Halbleiterkörper 100' eine sehr niedrige Grunddotierung vom ersten Leitungstyp aufweisen, beispielsweise kleiner als 1·1012 cm–3. Dabei kann die Grunddotierung konstant sein.
  • Ein MDZ-Wafer ist ein Wafer, der eine sauerstoffarme Oberflächenschicht aufweist, die durch ein schnelles thermisches Verfahren (engl.: "rapid thermal processing" = RTP) erreicht wird. Aufgrund des RTP-Prozesses wird der Halbleiterkörper des Wafers, z.B. ein CZ-Wafer, mit Fehlstellen übersättigt, die in einer ausreichend großen Tiefe des Halbleiterkörpers eine Senke bereitstellen. Eine signifikante Menge des unerwünschten aber unvermeidlichen Sauerstoffs in dem Halbleiterkörper diffundiert in Richtung der Senke, so dass in dem Halbleiterkörper eine zur ersten Seite 101 parallel verlaufende, sauerstoffarme Oberflächenschicht erzeugt wird. Beispielsweise kann die Sauerstoffkonzentration in einer derartigen sauerstoffarmen Oberflächenschicht so gewählt werden, dass sie nirgends 3·1017 cm–3 übersteigt. Die Dicke der sauerstoffarmen Oberflächenschicht kann beispielsweise wenigstens 10 µm betragen. Geeignete MDZ-Wafer sind von Sun Edison erhältlich. Der Durchmesser eines derartigen Halbleiterwafers kann beispielsweise wenigstens 6 Inch, wenigstens 8 Inch, oder wenigstens 12 Inch betragen (entsprechend etwa 15,24 cm, 20,32 cm bzw. 30,48 cm).
  • Ein MCZ-Wafer ist ein magnetisch gewachsener CZ-Wafer. Das magnetische Feld, das während des Kristallwachstums des Wafers angelegt wird, bewirkt eine Verringerung der Konzentration von Sauerstoff. Beispielsweise kann der bereitgestellte Wafer/Halbleiterkörper eine maximale Sauerstoffkonzentration von kleiner oder gleich 3·1017 cm–3 aufweisen.
  • Während der Herstellung eines Halbleiterbauelements 1 sind verschiedene Schritte erforderlich, um ein gewünschtes Dotierungsprofil zu erzeugen. Bei einer Zwischenstufe des Herstellungsprozesses kann das Gebiet der herzustellenden Driftzone 118 den ersten Leitungstyp aufweisen mit einem Maximum der (nicht-finalen) Dotierungskonzentration, das von der Stelle des herzustellenden, gleichrichtenden Übergangs 111 beabstandet ist. Das heißt, bei dieser Zwischenstufe kann die (nicht-finale) Dotierungskonzentration von dem Maximum in Richtung des herzustellenden gleichrichtenden Übergangs 111 abfallen. Da ein sehr starker Abfall das Spannungssperrvermögen (engl.: „blocking voltage capability“) des fertig gestellten Halbleiterbauelements 1 nachteilig beeinträchtigen kann, kann es wünschenswert sein, diesen Abfall zu verringern. Beispielsweise veranschaulicht 17A die Netto-Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers 100' bei der Zwischenstufe (gestrichelte Linie) und nachdem der Abfall verringert wurde (durchgezogene Linie).
  • Wie in 17B gezeigt ist, kann die Verringerung dadurch realisiert werden, dass elektrisch aktive Dotierstoffe, die den ersten Leitungstyp bewirken, in die Region implantiert werden, die sich zwischen der Tiefe d111 des herzustellenden, gleichrichtenden Übergangs 111 und der Tiefe dM des Maximums M befindet, das die Dotierungskonzentration im Bereich der herzustellenden Driftzone 118 aufweist. Die Implantationsdosis kann kleiner sein als 5·1011 cm–2 (5E11 cm–2), und die Implantation kann unmaskiert ausgeführt werden.
  • Um die hohe Netto-Dotierungskonzentration vom ersten Leitungstyp für eine herzustellende Feldstoppzone 119 zu erzeugen, kann eine dritte Schicht 430, die dritte Dotierstoffe 431 enthält, auf der zweiten Seite 102 abgeschieden werden, siehe 18A. Die dritten Dotierstoffe 431 rufen in dem Halbleiterkörper 100' ebenfalls den ersten Leitungstyp hervor. Während eines zweiten Temperaturprozesses werden die dritten Dotierstoffe 431 durch die zweite Seite 102 in das Gebiet der herzustellenden Feldstoppzone 119 diffundiert. Geeignete Dotierstoffe sind beispielsweise Einfach-Dotierstoffe oder Doppel-Dotierstoffe. Wenn beispielsweise der erste Leitungstyp "n" ist, kann ein Chalkogenid als Doppel-Dotierstoff verwendet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich können Teilchen, die den ersten Leitungstyp bewirken, durch die zweite Seite 102 in das Gebiet der herzustellenden Feldstoppzone 119 implantiert werden. Die Implantation kann mit einer oder mehreren Implantationen bei verschiedenen Implantationsenergien und/oder bei verschiedenen Implantationsdosen ausgeführt werden. 18B veranschaulicht beispielsweise einen ersten Implantationsschritt, der mit ersten Teilchen bei einer ersten Implantationsdosis und einer ersten Implantationstiefe ausgeführt wird, und 18C einen zweiten Implantationsschritt, der mit zweiten Teilchen bei einer zweiten Implantationsdosis und einer zweiten Implantationstiefe ausgeführt wird. Bei dem dargestellten Beispiel ist die erste Implantationstiefe größer als die zweite Implantationstiefe, und die zweite Implantationsdosis ist höher als die erste Implantationsdosis. Allerdings ist jede andere Kombination mit wenigstens zwei Implantationsstufen mit wenigstens einem abweichenden Parameter (z.B. Implantationstiefe, Implantationsdosis, Teilchentyp) ebenso möglich. Da die ersten und zweiten Teilchen durch die zweite Seite 102 implantiert werden, sind die ersten und zweiten Implantationstiefen bezüglich der zweiten Seite 102 zu messen.
  • Bei den implantierten Teilchen kann es sich um herkömmliche, elektrisch aktive Dotierstoffe handeln. Wenn der erste Leitungstyp "n" ist, können, alternativ oder zusätzlich zu elektrisch aktiven Dotierstoffen, auch Protonen als implantierte Teilchen verwendet werden, da implantierte Protonen in Kombination mit einem nachfolgenden, thermischen Prozess Donatoren erzeugen, die einem Schadens-Konzentrationsprofil der durch die Protonenimplantation verursachten Kristallschäden folgen.
  • Die unter Bezugnahme auf die 18A bis 18C beschriebenen Verfahren können in jeder Kombination verwendet werden. In jedem Fall ist das Ergebnis ein Halbleiterkörper 100' der, wie in 18D veranschaulicht, eine Feldstoppzone 119 aufweist.
  • 19 veranschaulicht einen Abschnitt eines epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörpers 100 eines Halbleiterbauelements 1. Der Halbleiterkörper 100 weist eine erste Seite 101, eine zweite Seite 102, einen seitlichen Rand 103, sowie eine zwischen den gleichrichtenden Übergang 111 und dem seitlichen Rand 103 angeordnete, vertikale Randabschlussstruktur auf. Die vertikale Randabschlussstruktur besitzt einen Graben 140, der sich von der ersten Seite 101 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt und der mit einem Dielektrikum 141, beispielsweise Benzocylobuten (BCB), gefüllt ist. Das Füllen des Grabens mit dem Dielektrikum 141 wird in einem Zustand durchgeführt, in dem der Halbleiterkörper 100 noch auf dem Halbleiterträger 200 angeordnet ist. Das heißt, das Entfernen des Halbleiterträgers 200 von dem Halbleiterkörper 100 erfolgt in einem Zustand, in dem der Graben 140 bereits mit dem Dielektrikum 141 gefüllt ist. Bei dem Dielektrikum 141 kann es sich um ein Dielektrikum mit geringem Schrumpf handeln, z.B. BCB. Da die Temperaturbeständigkeit von Dielektrika 141, die einen geringen Schrumpf aufweisen, üblicherweise unter 250°C liegt, ist es vorteilhaft, den Halbleit erkörper 100, nachdem der Graben 140 mit einem Dielektrikum 141 mit geringem Schrumpf gefüllt wurde, keinen Temperaturen von mehr als 250°C auszusetzen.
  • Anstelle von oder zusätzlich zu der gezeigten Randabschlussstruktur, kann eine andere Randabschlussstruktur, z.B. Feldringe, Feldplatten, VLD (variable laterale Dotierung), JTE ("junction termination extension"), oder RESURF ("reduced surface field") ebenso gut eingesetzt werden.
  • In der obigen Beschreibung wurde auf der Grundlage konkreter Ausführungsbeispiele erläutert, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Sofern nichts Gegenteiliges erwähnt wurde, können die oben beschriebenen Merkmale der Halbleiterbauelemente und Verfahrensschritte in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden.
  • Ein beliebiger Halbleiterwafer oder Halbleiterkörper gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges Halbleitergrundmaterial wie beispielsweise Silizium, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Galliumarsenid, Galliumnitrid oder irgendein anderes geeignetes Halbleitergrundmaterial aufweisen.
  • Ferner wurde in den Beispielen der vorliegenden Beschreibung der erste Leitungstyp als "n" und der zweite Leitungstyp als "p" beschrieben. Allerdings ist es ebenso möglich, für den ersten Leitungstyp "p" zu wählen und für den zweiten Leitungstyp "n".
  • Die Elektroden 151, 152 und, soweit vorgesehen, 153, können auf der ersten Seite 101 und der zweiten Seite 102 abgeschieden werden, nachdem oder bevor die Herstellung des Halbleiterkörpers 100 (einschließlich des finalen Dotierungsprofils) vervollständigt wurde. Es wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Halbleiterbauelemente 1 gemäß der Erfindung zumindest eine erste Hauptelektrode 151 aufweisen, die auf der ersten Seite 101 angeordnet ist, und eine zweite Hauptelektrode 152, die auf der zweiten Seite 102 angeordnet ist. Bei den Halbleiterbauelementen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich insbesondere um sogenannte "vertikale" Halbleiterbauelemente handeln.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann die Driftzone 118 eines Halbleiterbauelements 1 bei einer ersten Tiefe d1, die so gewählt ist, dass d111 < d1 < d111 + 0,37·t118, einen Dotierungsladungsschwerpunkt aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiges Halbleiterbauelement 1 ein vorteilhaftes Abschaltverhalten besitzt, was beispielhaft unter Bezugnahme auf die 20A, 20B und 20C demonstriert wird, die auf Computersimulationen basieren. Bei jeder der 20A, 20B und 20C bezieht sich die Abszisse auf die Zeit t, die linke Ordinatenachse auf den Diodenstrom, und die rechte Ordinatenachse auf die Diodenspannung. Die Skalierung ist identisch, so dass die Kurven der verschiedenen Figuren leicht verglichen werden können.
  • 20A betrifft eine herkömmliche Diode, die eine Driftzone mit einer konstanten Netto-Dotierungskonzentration aufweist. Das heißt, der Dotierungsladungsschwerpunkt ist bei einer Tiefe von 50% der Dicke der Driftzone lokalisiert. Wie zu erkennen ist, zeigt die herkömmliche Diode ein signifikantes Schwingungsverhalten.
  • 20B betrifft eine Diode gemäß der Erfindung. Sie besitzt dieselbe Struktur wie die Diode gemäß 20A, mit der Ausnahme, dass eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur gemäß den 3 und 5 zusätzlich in die Feldstoppzone 119 eingebettet ist. Die Dosis der Dotierstoffe in der Driftzone ist dieselbe wie die der Driftzone gemäß 20A. Das heißt, die Integrale der Netto-Dotierstoffkonzentrationen der betreffenden Driftzonen sind identisch.
  • 20C betrifft eine Diode gemäß der Erfindung. Sie besitzt dieselbe Struktur wie die Diode gemäß 20A mit der Ausnahme, dass der Dotierungsladungsschwerpunkt der Driftzone bei der ersten Tiefe d1 so gewählt ist, dass d111 < d1 < d111 + 0,37·t118. Die Dosis der Dotierstoffe in der Driftzone ist dieselbe wie die der Driftzone gemäß 20A. Das heißt, die Integrale der Netto-Dotierstoffkonzentrationen der betreffenden Driftzonen sind identisch.
  • 21 zeigt für zwei Temperaturen 25°C und 125°C die Sperrcharakteristik einer herkömmlichen Referenzdiode (gekennzeichnet mit "REF"), die eine Driftzone mit konstanter Netto-Dotierungskonzentration aufweist, im Vergleich zu einer Diode gemäß der Erfindung, deren Dotierungsprofil der Driftzone 118 mit Selen als erste (Doppel-)Dotierstoffe und Phosphor als zweite (Einfach-)Dotierstoffe hergestellt wurde, wie oben unter Bezugnahme auf die 16A bis 16D beschrieben. Die Netto-Dotierungskonzentration der Driftzone der Diode gemäß der Erfindung ist so gewählt, dass die erste Tiefe größer ist als 0 und kleiner als 37 Prozent einer Dicke ist, die die Driftzone in der vertikalen Richtung aufweist. Die Driftzonen der Diode gemäß der Erfindung und der Referenzdiode sind mit identischen Dosen dotiert. Das heißt, die Integrale der Netto-Dotierungskonzentrationen über die Driftzonen sind gleich.
  • Kurve (a1) betrifft die Diode gemäß der Erfindung bei 125°C, (a2) die Referenzdiode bei 125°C, (b1) die Diode gemäß der E rfindung bei 25°C, und (b2) die Referenzdiode bei 25°C.
  • Wie aus 21 ersichtlich ist, gestattet die Diode gemäß der Erfindung bei beiden Temperaturen eine höhere Rückwärtssperrspannung (engl: „reverse blocking voltage“) VR.
  • Abschließend veranschaulichen die 22 bis 29 das Verhalten und die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen 1, wie sie oben erläutert wurden. 22 veranschaulicht das elektrische Feld der Halbleiterbauelemente 1, die das Dotierungsprofil gemäß 2 (Kurve (a)), 10 (Kurve (b)) und 11 (Kurve (c)) besitzen, wenn das Halbleiterbauelement sperrt, was der Fall ist, wenn der gleichrichtende Übergang 111 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist.
  • 23 veranschaulicht das Abschaltverhalten einer ersten und zweiten Diode, von denen jede eine Driftzone mit konstanter Netto-Dotierungskonzentration aufweist. Verglichen mit der zweiten Diode (Diodenspannung U2 und Diodenstrom I2) besitzt die erste Diode (Diodenspannung U1 und Diodenstrom I1) zusätzlich eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur 121 (p-dotierte Inseln, wie in 4 gezeigt). Zu der Zeit, zu der die erste und zweite Diode abgeschaltet werden, sind die Diodenströme I1 bzw. I2 gleich dem Nennstrom (20 A) der betreffenden Diode. 24 zeigt dieselben Parameter für dieselben Dioden wie 23, jedoch sind die Diodenströme I1 und I2 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Dioden abgeschaltet werden, ein Zehntel (2 A) des betreffenden Nennstroms (20 A). Beim Vergleich der 23 und 24 ist zu erkennen, dass die zweite Diode im Vergleich zu der ersten Diode insbesondere bei geringen Strömen (24) signifikante Abschaltoszillationen zeigt. Der glättende Effekt der Minoritätsladungsträger bereitstellenden Struktur 121 tritt insbesondere bei niedrigen Diodenströmen in Erscheinung, da der Halbleiterkörper der Dioden bei hohen Strömen in hohem Maß mit freien Ladungsträgern geflutet ist, die dabei helfen, den Abschaltprozess weicher zu machen. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl der freien Ladungsträger in dem Halbleiterkörper der Dioden bei geringen Diodenströmen gering, so dass weniger das Abschaltverhalten weicher machende freie Ladungsträger vorhanden sind. Daher wird der glättende Effekt, der durch die Minoritätsladungsträger bewirkt wird, die von der Ladungsträger bereitstellenden Struktur 121 in den Halbleiterkörper injiziert werden, wenn die Diode abgeschaltet wird, insbesondere bei geringen Diodenströmen erkennbar.
  • 25 veranschaulicht verschiedene Dotierungsprofile (Netto-Dotierungskonzentrationen) nur von den Driftzonen 118 von Halbleiterbauelementen, die Dotierungsprofile gemäß 2 mit verschiedenen Gradienten d(log10((NNET·cm3)/dv1). Für alle Profile ist das Integral der Netto-Dotierungskonzentration NNET der Driftzone 118 dasselbe. Der Gradient d(log10((NNET·cm3)/dv1) ist –0,01/μm für Profil (a), –0,02/μm für Profil (b), –0,03/μm für Profil (c), –0,04/μm für Profil (d) und –0,05/μm für Profil (e).
  • 26 veranschaulicht die Peakspannungen, die auftreten, wenn die Halbleiterbauelemente gemäß 25 abgeschaltet werden. Der Wert 0/µm des Gradienten bezieht sich auf ein herkömmliches Halbleiterbauelement, das eine Driftzone 118 mit einer konstanten Netto-Dotierungskonzentration aufweist. Wie aus 26 erkennbar ist, verringert sich die Peakspannung (das Überschießen der Spannung) insbesondere im Bereich zwischen 0 µm–1 und –0,02 µm–1 signifikant.
  • 27 veranschaulicht für die Dotierungsprofile gemäß 25 die kumulierte Dosis der Driftzone 118, das heißt, das Integral der Netto-Dotierungskonzentration der Driftzone 118, wobei die Integration an dem gleichrichtenden Übergang 111 beginnt.
  • 28 veranschaulicht die Position des Ladungsschwerpunkts der Driftzone 118 in Prozent der Dicke t118 der Driftzone 118 für die Halbleiterbauelemente gemäß 27.
  • Abschließend veranschaulicht 29, entsprechend 27, für die Dotierungsprofile gemäß 2 (Kurve (a)), 10 (Kurve (b)) und 11 (Kurve (c)) die kumulierte Dosis der Driftzone 118, das heißt, das Integral der Netto-Dotierungskonzentration der Driftzone 118, wobei die Integration an dem gleichrichtenden Übergang 111 beginnt.

Claims (24)

  1. Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Seite (101) und eine der ersten Seite (101) entgegengesetzte zweite Seite aufweist, wobei die zweite Seite (102) in einer ersten vertikalen Richtung (v1) von der ersten Seite (101) beabstandet ist; einen gleichrichtenden Übergang (111); eine Feldstoppzone (119) von einem ersten Leitungstyp (n), die in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist; und eine Driftzone (118) vom ersten Leitungstyp (n), die in dem Halbleiterkörper (100) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und der Feldstoppzone (119) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (100) entlang einer zur ersten vertikalen Richtung (v1) parallel verlaufenden geraden Linie (g) eine Netto-Dotierungskonzentration (NNET) aufweist; und wobei von (a) und (b) zumindest eines gilt: (a) Die Driftzone (118) weist bei einer ersten Tiefe (d1) einen Dotierungsladungsschwerpunkt auf, wobei ein Abstand (d1-d111) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und dem Dotierungsladungsschwerpunkt kleiner ist, als 37% einer Dicke (d112-d111) der Driftzone (118) in der ersten vertikalen Richtung (v1); (b) der Absolutbetrag (│NNET│) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) weist entlang einer geraden Linie (g) und innerhalb der Driftzone (118) einen lokalen Maximumswert (MAX) auf.
  2. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei sich der lokale Maximumswert (MAX) bei einer Tiefe (d114) befindet, die größer ist als eine Tiefe (d111) des gleichrichtenden Übergangs (111); und kleiner ist als der Mittelwert der Tiefe (d111) des gleichrichtenden Übergangs (111) und einer Tiefe (d112) einer Grenze zwischen der Driftzone (118) und der Feldstoppzone (119).
  3. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Driftzone (118) eine zweite Tiefe (d2) aufweist, die sowohl von dem gleichrichtenden Übergang (111) als auch der Feldstoppzone (119) beabstandet angeordnet ist, wobei bei dieser zweiten Tiefe (d2) der Zehnerlogarithmus (log10 NNET) des Produkts der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) und 1 cm3 in der vertikalen Richtung (v1) einen Gradienten d / dv1log10(NNET·cm3) von kleiner oder gleich –0,01/µm aufweist, wobei v1 die erste vertikale Richtung ist; und NNET die Netto-Dotierungskonzentration ist.
  4. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Driftzone (118) eine zweite Tiefe (d2) aufweist, die sowohl von dem gleichrichtenden Übergang (111), als auch der Feldstoppzone (119) beabstandet angeordnet ist, wobei bei dieser zweiten Tiefe (d2) der Zehnerlogarithmus des Produkts der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) und 1 cm3 in der vertikalen Richtung (v1) einen Gradienten d / dv1log10(NNET·cm3) von kleiner oder gleich –0,02/µm aufweist, wobei v1 die erste vertikale Richtung ist; und NNET die Netto-Dotierungskonzentration ist.
  5. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: Der Zehnerlogarithmus des Produkts der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) und 1 cm3 innerhalb der Driftzone (118) für jede zweite Tiefe (d2) innerhalb eines Tiefenbereichs (Δd2) in der ersten vertikalen Richtung (v1) einen Gradienten d / dv1log10(NNET·cm3) von weniger als –0,01/µm aufweist; jede zweite Tiefe (d2) größer ist als eine Tiefe (d101) des gleichrichtenden Übergangs (111) und kleiner als eine Tiefe (d112) einer Grenze zwischen der Driftzone (118) und der Feldstoppzone (119); und der Tiefenbereich (Δd2) wenigstens 10% einer Dicke (t118) der Driftzone (118) aufweist, wobei v1 die erste vertikale Richtung ist; und NNET die Netto-Dotierungskonzentration ist.
  6. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 5, wobei: Der Zehnerlogarithmus des Produkts der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) und 1 cm3 innerhalb der Driftzone (118) für jede zweite Tiefe (d2) innerhalb eines Tiefenbereichs (Δd2) in der ersten vertikalen Richtung (v1) einen Gradienten d / dv1log10(NNET·m3) von weniger als –0,02/µm aufweist.
  7. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Driftzone (118) in der ersten vertikalen Richtung (v1) ein lokales Maximum (MAX) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) aufweist, das sowohl von dem gleichrichtenden Übergang (111) als auch von der Feldstoppzone (119) beabstandet angeordnet ist.
  8. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur (121) aufweist, die einen zum ersten Leitungstyp (n) komplementären zweiten Leitungstyp (p) aufweist, wobei die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur (121) derart in die Feldstoppzone (119) eingebettet ist, dass sich die Feldstoppzone (119) durchgehend zwischen der Driftzone (118) und der zweiten Seite (102) erstreckt.
  9. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 8, bei dem die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur (121) netzförmig ist.
  10. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur (121) eine Vielzahl von Inseln aufweist, die voneinander beabstandet sind.
  11. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur (121) von der zweiten Seite (102) beabstandet angeordnet ist.
  12. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem sich die Minoritätsladungsträger bereitstellende Struktur (121) bis zu der zweiten Seite (102) erstreckt.
  13. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das aufweist: Eine Kollektorzone, die ein erstes Teilgebiet (123) und ein zweites Teilgebiet (124) aufweist, wobei sowohl das erste als auch das zweite Teilgebiet (123, 124) zwischen der Feldstoppzone (119) und der zweiten Seite (102) angeordnet ist, und die einen zum ersten Leitungstyp (n) komplementären zweiten Leitungstyp (p) aufweist, wobei das Halbleiterbauelement ein IGBT ist; die erste Kollektorzone (123) eine höhere Netto-Dotierungskonzentration aufweist als die zweite Kollektorzone (124); und die erste Kollektorzone (123) und die zweite Kollektorzone (124) ineinander greifen.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Halbleiterträgers (200); Herstellen eines Halbleitergebildes auf dem Halbleiterträger (200), wobei auf den Halbleiterträger (200) eine kristalline Halbleiterstruktur aufgewachsen wird; und, nachfolgend, Entfernen des Halbleiterträgers (200), so dass ein Halbleiterbauelement verbleibt, das aufweist: einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Seite (101) und eine der ersten Seite (101) entgegengesetzte zweite Seite aufweist, wobei die zweite Seite (102) in einer ersten vertikalen Richtung (v1) von der ersten Seite (101) beabstandet ist; und einen gleichrichtenden Übergang (111); eine Feldstoppzone (119) von einem ersten Leitungstyp (n), die in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist; und eine Driftzone (118) vom ersten Leitungstyp (n), die in dem Halbleiterkörper (100) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und der Feldstoppzone (119) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (100) entlang einer zur ersten vertikalen Richtung (v1) parallel verlaufenden geraden Linie (g) eine Netto-Dotierungskonzentration (NNET) aufweist; und wobei von (a) und (b) zumindest eines gilt: (a) Die Driftzone (118) weist bei einer ersten Tiefe (d1) einen Dotierungsladungsschwerpunkt auf, wobei ein Abstand (d1-d111) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und dem Dotierungsladungsschwerpunkt kleiner ist, als 37% einer Dicke (d112-d111) der Driftzone (118) in der ersten vertikalen Richtung (v1); (b) der Absolutbetrag (│NNET│) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) weist entlang einer geraden Linie (g) und innerhalb der Driftzone (118) einen lokalen Maximumswert (MAX) auf.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der Absolutbetrag (│NNET│) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) entlang einer geraden Linie (g) und innerhalb der Driftzone (118) einen Maximalwert (MAX) aufweist, der bei einer Tiefe (d114) angeordnet ist, die: größer ist als eine Tiefe (d111) des gleichrichtenden Übergangs (111); und kleiner ist als der Mittelwert der Tiefe (d111) des gleichrichtenden Übergangs (111) und einer Tiefe (d112) einer Grenze zwischen der Driftzone (118) und der Feldstoppzone (119).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem das epitaktische Aufwachsen der kristallinen Halbleiterstruktur aufweist: Epitaktisches Aufwachsen der Driftzone (118), hierbei Abscheiden zumindest eines elektrisch aktiven Dotierstoffs aus einer Gasphase auf dem Halbleiterträger (200), so dass die erzielte Netto-Dotierungskonzentration (NNET) der Driftzone (118) des fertig gestellten Halbleiterbauelements gebildet wird.
  17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der kristalline Halbleiterträger (200) ein Czochralski-Wafer ist.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei: in einem Zustand, in dem vor dem Entfernen des Halbleiterträgers (200) ein Graben (140) erzeugt wird, der sich von der ersten Seite (101) in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckt und nachfolgend mit einem Dielektrikum (141) gefüllt wird; und der Halbleiterkörper (100) nach dem Füllen des Grabens (140) mit dem Dielektrikum (141) dauerhaft auf Temperaturen von unter 250°C gehalten wird.
  19. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100), der eine erste Seite (101) und eine der ersten Seite (101) entgegen gesetzte zweite Seite (102) aufweist; Einbringen elektrisch aktiver erster Dotierstoffe (411), die einen ersten Leitungstyp (n) hervorrufen, durch die erste Seite (101) in den Halbleiterkörper (100), und Einbringen elektrisch aktiver zweiter Dotierstoffe (422), die den ersten Leitungstyp (n) hervorrufen, durch die erste Seite (101) in den Halbleiterkörper (100), wobei die ersten Dotierstoffe (411) in dem Halbleiterkörper (100) einen Diffusionskoeffizienten aufweisen, der höher ist, als ein Diffusionskoeffizient der zweiten Dotierstoffe (422); Erzeugen eines gleichrichtenden Übergangs (111); und Erzeugen einer Feldstoppzone (119) vom ersten Leitungstyp (n), die derart in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist, dass der Halbleiterkörper (100) eine Driftzone (118) vom ersten Leitungstyp (n) aufweist, die in dem Halbleiterkörper (100) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und der Feldstoppzone (119) angeordnet ist; und derart, dass ein Halbleiterbauelement gebildet wird, das aufweist: einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Seite (101) und eine der ersten Seite (101) entgegengesetzte zweite Seite aufweist, wobei die zweite Seite (102) in einer ersten vertikalen Richtung (v1) von der ersten Seite (101) beabstandet ist; und einen gleichrichtenden Übergang (111); eine Feldstoppzone (119) von einem ersten Leitungstyp (n), die in dem Halbleiterkörper (100) angeordnet ist; und eine Driftzone (118) vom ersten Leitungstyp (n), die in dem Halbleiterkörper (100) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und der Feldstoppzone (119) angeordnet ist; wobei der Halbleiterkörper (100) entlang einer zur ersten vertikalen Richtung (v1) parallel verlaufenden geraden Linie (g) eine Netto-Dotierungskonzentration (NNET) aufweist; und wobei von (a) und (b) zumindest eines gilt: (a) Die Driftzone (118) weist bei einer ersten Tiefe (d1) einen Dotierungsladungsschwerpunkt auf, wobei ein Abstand (d1-d111) zwischen dem gleichrichtenden Übergang (111) und dem Dotierungsladungsschwerpunkt kleiner ist, als 37% einer Dicke (d112-d111) der Driftzone (118) in der ersten vertikalen Richtung (v1); (b) der Absolutbetrag (│NNET│) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) weist entlang einer geraden Linie (g) und innerhalb der Driftzone (118) einen lokalen Maximumswert (MAX) auf.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei der Absolutbetrag (│NNET│) der Netto-Dotierungskonzentration (NNET) entlang der geraden Linie (g) und innerhalb der Driftzone (118) einen lokalen Maximumswert (MAX) aufweist, der bei einer Tiefe (d114) angeordnet ist, die größer ist als eine Tiefe (d111) des gleichrichtenden Übergangs (111); und kleiner ist als der Mittelwert der Tiefe (d111) des gleichrichtenden Übergangs (111) und einer Tiefe (d112) einer Grenze zwischen der Driftzone (118) und der Feldstoppzone (119).
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei: die ersten Dotierstoffe (411) Einfach-Dotierstoffe sind; und die zweiten Dotierstoffe (422) Doppel-Dotierstoffe sind.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei: die ersten Dotierstoffe (411) ausgewählt sind aus einem von: Phosphor; Arsen; Antimon; und die zweiten Dotierstoffe (422) ausgewählt sind aus einem von: Schwefel; Selen; Tellur.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem der Halbleiterkörper (100) ein CZ-Wafer oder ein MDZ-Wafer ist.
  24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei von den ersten Dotierstoffen (411) und den zweiten Dotierstoffen (422) zumindest einer bei einem ersten Temperaturprozess, bei dem der Halbleiterkörper (100) auf Temperaturen von zwischen 900°C und 1000°C aufgeheizt wird, tiefer in den Halbleiterkörper (100) diffundiert wird.
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