DE102015118322A1 - Bipolartransistor mit Superjunction-Struktur - Google Patents

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Abstract

Ein Superjunction-Bipolartransistor umfasst ein aktives Transistorzellengebiet (610), das aktive Transistorzellen (aTC) umfasst, die mit einer ersten Lastelektrode (310) an einer Vorderseite eines Halbleiterkörpers (100) elektrisch verbunden sind. Ein Superjunction-Gebiet (630) überlappt das aktive Transistorzellengebiet (610) und umfasst einen niederohmigen Bereich (632) und einen Reservoirbereich (638) außerhalb des niederohmigen Bereichs (632). Der niederohmige Bereich (632) umfasst eine erste Superjunction-Struktur (180) mit einer ersten vertikalen Ausdehnung (v1) bezüglich einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100). Der Reservoirbereich (638) umfasst keine Superjunction-Struktur oder eine zweite Superjunction-Struktur (190) mit einer mittleren zweiten vertikalen Ausdehnung (v2), die geringer als die erste vertikale Ausdehnung (v1) ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • In IGBTs (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) steuern Zellen eines IGFET (Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate) einen Basisstrom eines bipolaren Übergangstransistors. Minoritätsladungsträger, die von einem Kollektorbereich des BJT in einen Driftbereich während einer Vorwärtsleitung injiziert werden, reduzieren den Einschalt- bzw. Durchlasswiderstand des niedrig dotierten Driftbereichs beträchtlich. In einem SJ-IGBT (Superjunction-IGBT) oder SJ-BT (Superjunction-Bipolartransistor) ersetzt eine Superjunction-Struktur, die abwechselnd angeordnete und stärker dotierte Halbleitergebiete vom p-Typ und n-Typ umfasst, zumindest einen Teil bzw. Abschnitt des Driftbereichs. Da das elektrische Feld sich nicht nur in einer vertikalen Richtung, sondern auch in einer horizontalen Richtung parallel zu Hauptoberflächen des SJ-IGBT aufbaut, hängt die Durchbruchsspannung von SJ-IGBTs in einem geringeren Maße von Dotierstoffkonzentration im Driftbereich ab unter der Annahme, dass die Halbleitergebiete vom p-Typ und Halbleitergebiete vom n-Typ einander ausreichend gut kompensieren und vollständig verarmt sind, bevor ein Durchbruch stattfindet. Im Gegensatz zu Superjunction-IGFETs tragen beide Typen von Halbleitergebieten zu einem Stromfluss bei und beeinflussen das Schaltverhalten.
  • Es ist wünschenswert, das Schaltverhalten von Superjunction-Bipolartransistoren wie etwa SJ-IGBTs zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsformen.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Superjunction-Bipolartransistor ein aktives Transistorzellengebiet, das aktive Transistorzellen enthält, die mit einer ersten Lastelektrode an einer Vorderseite eines Halbleiterkörpers elektrisch verbunden sind. Ein Superjunction-Gebiet überlappt bzw. überdeckt das aktive Transistorzellengebiet, wobei das Superjunction-Gebiet einen niederohmigen Bereich und einen Reservoirbereich außerhalb des niederohmigen Bereichs umfasst. Der niederohmige Bereich umfasst eine erste Superjunction-Struktur mit einer ersten vertikalen Ausdehnung bezüglich einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers. Der Reservoirbereich umfasst keine Superjunction-Struktur oder eine zweite Superjunction-Struktur mit einer mittleren zweiten vertikalen Ausdehnung, die geringer als die erste vertikale Ausdehnung ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Superjunction-Halbleitervorrichtung eine erste Superjunction-Struktur in einem niederohmigen Bereich und keine oder eine zweite Superjunction-Struktur in einem Reservoirbereich außerhalb des niederohmigen Bereichs. Falls der niederohmige Bereich eine zweite Superjunction-Struktur enthält, ist eine erste vertikale Ausdehnung der ersten Superjunction-Struktur bezüglich einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers größer als eine mittlere zweite vertikale Ausdehnung der zweiten Superjunction-Struktur. Die erste Superjunction-Struktur umfasst erste Gebiete und entgegengesetzt dotierte zweite Gebiete, die sich mit den ersten Gebieten entlang zumindest einer horizontalen Richtung parallel zur ersten Oberfläche abwechseln. Aktive Transistorzellen enthalten Bodyzonen, die erste pn-Übergänge mit zumindest den ersten Gebieten der ersten Superjunction-Struktur und zweite pn-Übergänge mit Sourcezonen ausbilden. Eine Kollektorstruktur ist mit einer zweiten Lastelektrode elektrisch verbunden, wobei zumindest Teile bzw. Abschnitte der Kollektorstruktur einen Leitfähigkeitstyp der Bodyzonen aufweisen.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der beiliegenden 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 und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist eine schematische Draufsicht einer Superjunction-Halbleitervorrichtung mit einem niederohmigen Bereich einschließlich einer ersten Superjunction-Struktur und mit einem Reservoirbereich gemäß einer Ausführungsform.
  • 1B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Superjunction-Halbleitervorrichtung von 1A entlang einer Linie B-B gemäß einer Ausführungsform mit dem Reservoirbereich einschließlich einer zweiten Superjunction-Struktur.
  • 1C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Superjunction-Halbleitervorrichtung von 1A entlang einer Linie B-B gemäß einer Ausführungsform ohne Superjunction-Struktur im Reservoirbereich.
  • 2A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Vergleichsvorrichtung ohne Reservoirbereich zum Diskutieren von Effekten der Ausführungsformen.
  • 2B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Superjunction-Halbleitervorrichtung mit einem Reservoirbereich gemäß einer Ausführungsform zum Diskutieren von Effekten der Ausführungsformen.
  • 3A ist schematische Draufsicht einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, wobei der Reservoirbereich räumlich getrennte Teilbereiche innerhalb eines aktiven Transistorzellengebiets umfasst.
  • 3B ist eine schematische Draufsicht einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, wobei der Reservoirbereich zum Teil in einem Abschlussgebiet ausgebildet ist, das das aktive Transistorzellengebiet umgibt.
  • 3C ist eine schematische Draufsicht einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, wobei der Reservoirbereich in der vertikalen Projektion einer Gate-Verbindungsstruktur innerhalb des aktiven Transistorzellengebiets ausgebildet ist.
  • 4A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Teils bzw. Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit einer zweiten Superjunction-Struktur im Reservoirbereich.
  • 4B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform ohne Superjunction-Struktur im Reservoirbereich.
  • 4C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit einem Reservoirbereich, der einen Übergangsbereich enthält.
  • 5A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Superjunction-Halbleitervorrichtung von 4A, und darstellend eine Grenze einer Verarmungszone zu einem ersten Zeitpunkt nach Ausschalten der Superjunction-Halbleitervorrichtung, um Effekte der Ausführungsformen zu veranschaulichen.
  • 5B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Superjunction-Halbleitervorrichtung von 4A, und darstellend die Grenze der Verarmungszone zu einem zweiten Zeitpunkt nach Ausschalten der Superjunction-Halbleitervorrichtung, um Effekte der Ausführungsformen zu veranschaulichen.
  • 5C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht der Superjunction-Halbleitervorrichtung von 4A, und darstellend die Grenze der Verarmungszone zu einem dritten Zeitpunkt nach Ausschalten der Superjunction-Halbleitervorrichtung, um Effekte der Ausführungsformen zu veranschaulichen.
  • 5D ist ein schematisches Zeitdiagramm, das die ansteigende Flanke einer Kollektor-Emitter-Spannung UCE und die abfallende Flanke eines Kollektorstroms IC der Superjunction-Halbleitervorrichtung von 5A bis 5C während eines Abschaltens veranschaulicht.
  • 6A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT (rückwärts leitender IGBT) gemäß einer Ausführungsform.
  • 6B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT mit Diodenkathodenzonen eines Diodenabschnitts, die ausschließlich im Reservoirbereich ausgebildet sind, gemäß einer Ausführungsform.
  • 6C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT mit IGBT-Zonen eines IGBT-Abschnitts, die ausschließlich außerhalb des Reservoirbereichs ausgebildet sind, gemäß einer Ausführungsform.
  • 6D ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT mit einer homogen dotierten Diodenkathodenzone eines Diodenabschnitts, die ausschließlich innerhalb des Reservoirbereichs ausgebildet ist, gemäß einer Ausführungsform.
  • 6E ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT mit einer homogen dotierten Diodenkathodenzone eines Diodenabschnitts, die sich über den kompletten Reservoirbereich spannt, gemäß einer Ausführungsform.
  • 6F ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT mit einer homogen dotierten Diodenkathodenzone und einer Diodenanodenzone eines Diodenabschnitts, die ausschließlich innerhalb des Reservoirbereichs ausgebildet sind, gemäß einer Ausführungsform.
  • 6G ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Superjunction-RC-IGBT mit einer homogen dotierten Diodenkathodenzone und einer Diodenanodenzone eines Diodenabschnitts, die sich über den kompletten Reservoirbereich spannen, gemäß einer Ausführungsform.
  • 7 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung mit einer Reservoirzone mit reduzierter Dichte von Rekombinationszentren gemäß einer Ausführungsform.
  • 8A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit gegendotierten Inseln, die ausschließlich im niederohmigen Bereich und nahe einer Kollektorseite ausgebildet sind.
  • 8B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit verstärkten rückseitigen Emitterzonen.
  • 9A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung, die Transistorzellen mit planaren Gatestrukturen umfasst, gemäß einer Ausführungsform.
  • 9B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung, die Transistorzellen mit planaren Gatestrukturen und potentialfreien zweiten Gebieten umfasst, gemäß einer Ausführungsform.
  • 9C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Abschnitts einer Superjunction-Halbleitervorrichtung, die Transistorzellen mit Graben-Gatestrukturen umfasst, gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 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 umfasst. 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. Entsprechende Elemente werden durch die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnet, 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 das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen 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 Begriff ”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 Begriff ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung gestaltet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorsehen.
  • 1A bis 1C beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung 500, welche eine Superjunction-Bipolarvorrichtung, zum Beispiel ein SJ-IGBT oder SJ-BT, ein SJ-RCIGBT oder eine Halbleitervorrichtung ist oder enthält, die eine beliebige Superjunction-Bipolarvorrichtung und eine oder mehrere weitere logische oder analoge Schaltungen, zum Beispiel eine Gate-Treiberschaltung und/oder eine Überstrom-Schutzschaltung integriert.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 basiert auf einem Halbleiterkörper 100 aus einem kristallinen Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), Siliziumgermanium (SiGe), Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) oder irgendeinem anderen AIIIBV-Halbleiter. An einer Vorderseite weist der Halbleiterkörper 100 eine erste Oberfläche 101 auf, welche planar ist oder welche durch koplanare Oberflächensektionen aufgespannt wird. Eine minimale Distanz zwischen der ersten Oberfläche 101 und einer planaren zweiten Oberfläche 102 an einer gegenüberliegenden Rückseite und parallel zur ersten Oberfläche 101 beeinflusst das Spannungssperrvermögen der Halbleitervorrichtung 500 und kann von zumindest 20 μm bis mehrere 100 μm reichen.
  • Eine Senkrechte zu der ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zur vertikalen Richtung sind horizontale Richtungen. In der horizontalen Ebene kann der Halbleiterkörper 100 eine annähernd rechtwinklige Form mit einer Kantenlänge im Bereich von mehreren Millimetern aufweisen. Eine äußere laterale Oberfläche 103 bildet den Rand des Halbleiterkörpers 100 und verbindet die ersten und zweiten Oberflächen 101, 102. Die äußere laterale Oberfläche 103 kann vertikal zu der ersten und zweiten Oberfläche 101, 102 sein oder kann unter einem kleineren Winkel als 90 Grad bezüglich der ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 geneigt sein. Die äußere laterale Oberfläche 103 kann gerade sein oder kann eine Aussparung enthalten.
  • Der Halbleiterkörper 100 umfasst eine Drainstruktur 120 eines ersten Leitfähigkeitstyps. Die Drainstruktur 120 kann eine schwach dotierte Driftzone 121 umfassen, welche gleichmäßig dotiert sein kann. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 mit zunehmender Distanz zur ersten Oberfläche 101 zumindest in Abschnitten ihrer vertikalen Ausdehnung allmählich oder in Stufen zunehmen oder abnehmen. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann in einem Bereich von 1E12 cm–3 bis 1E15 cm–3, zum Beispiel in einem Bereich von 5E12 cm–3 bis 5E13 cm–3, liegen.
  • Der Halbleiterkörper 100 umfasst ferner eine Kollektorstruktur 130 zwischen der Drainstruktur 120 und der zweiten Oberfläche 102. Die Kollektorstruktur 130 kann eine durchgehende Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps sein, welcher der entgegengesetzte des ersten Leitfähigkeitstyps ist, und bildet einen oder mehrere rückseitige pn-Übergänge pn0. Gemäß auf RC-IGBTs bezogenen Ausführungsformen kann die Kollektorstruktur 130 Zonen beider Leitfähigkeitstypen umfassen. Die Dotierstoffkonzentration in der Kollektorstruktur 130 ist ausreichend hoch, um einen niederohmigen Kontakt mit einer Metallstruktur sicherzustellen, die an die zweite Oberfläche 102 angrenzt. Beispielsweise kann eine maximale Dotierstoffkonzentration in der Kollektorstruktur 130 entlang der zweiten Oberfläche 102 zumindest 1E17 cm–3, zum Beispiel zumindest 5E18 cm–3, betragen.
  • In einem aktiven Transistorzellengebiet 610 des Halbleiterkörpers 100 sind aktive Transistorzellen aTC, zum Beispiel Zellen eines IGFET (Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate), an der Vorderseite ausgebildet. Die aktiven Transistorzellen aTC sind mit sowohl einem ersten Lastanschluss L1 als auch einem Gateanschluss G direkt verbunden. Die aktiven Transistorzellen aTC steuern einen Laststromfluss zwischen dem ersten Lastanschluss L1 und einem zweiten Lastanschluss L2, welcher mit der Kollektorstruktur 130 elektrisch verbunden ist. Die aktiven Transistorzellen aTC können vertikale Transistorzellen sein, die planare Gatestrukturen umfassen, die außerhalb des Halbleiterkörpers 100 entlang der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sind, oder Graben-Gatestrukturen, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken.
  • Ein Abschlussgebiet 690 umgibt das Gebiet 610 aktiver Transistorzellen bzw. aktive Transistorzellengebiet 610 und trennt das aktive Transistorzellengebiet 610 von der äußeren lateralen Oberfläche 103. Das Abschlussgebiet 690 kann inaktive Transistorzellen iTC enthalten, welche mit höchstens einem des ersten Lastanschlusses L1 und des Gateanschlusses G verbunden sein können.
  • Ein Superjunction-Gebiet 630 umschließt alle Gebiete des Halbleiterbereichs 100, worin Superjunction-Strukturen 180, 190 ausgebildet sein können. Das Superjunction-Gebiet 630 umfasst vollständig das aktive Transistorzellengebiet 610 und kann ein inneres Abschlussgebiet 692 einschließen, wobei das äußere Abschlussgebiet 698 zwischen dem Superjunction-Gebiet 630 und der äußeren lateralen Oberfläche 103 frei von jeglichen Superjunction-Strukturen ist. Das innere Abschlussgebiet 692 kann inaktive Transistorzellen iTC enthalten.
  • Innerhalb des Superjunction-Gebiets 630 umfasst der Halbleiterkörper 100 einen niederohmigen Bereich 632, der eine erste Superjunction-Struktur 180 mit ersten Gebieten 181 eines ersten Leitfähigkeitstyps und zweiten Gebieten 182 eines zweiten Leitfähigkeitstyps in der Drainstruktur 120 umfasst, wobei die ersten und zweiten Gebiete 181, 182 sich entlang zumindest einer horizontalen Richtung abwechseln. Die Dotierungskonzentrationen in den ersten und zweiten Gebieten 181, 182 der ersten Superjunction-Struktur 180 und die horizontalen Abmessungen der ersten und zweiten Gebiete 181, 182 sind derart bestimmt, dass die Ladungen der Dotierstoffe sich annähernd aufheben und die gesamte Raumladung in den verarmten ersten und zweiten Gebieten 181, 182 unterhalb der Durchbruchspannung des Halbleitermaterials der Driftzone 121, zum Beispiel höchstens 2E12 cm–2 für Silizium, liegt. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in den ersten Gebieten 181 kann in einem Bereich von 1E14 cm–3 bis 1E17 cm–3, zum Beispiel in einem Bereich von 1E15 cm–3 bis 1E16 cm–3, liegen. Die erste Superjunction-Struktur 180 weist eine erste vertikale Ausdehnung v1 auf.
  • Das Superjunction-Gebiet 630 umfasst ferner einen Reservoirbereich 638, welcher ein einziger Bereich sein kann oder welcher zwei oder mehr räumlich getrennte Teilbereiche umfassen kann.
  • Gemäß der Ausführungsform von 1B kann der Reservoirbereich 638 eine zweite Superjunction-Struktur 190 mit ersten Gebieten 191 des ersten Leitfähigkeitstyps und zweiten Gebieten 192 des komplementären zweiten Leitfähigkeitstyps in der Drainstruktur 120 umfassen, wobei die ersten und zweiten Gebiete 191, 192 sich entlang zumindest einer horizontalen Richtung abwechseln. Die Dotierungskonzentrationen in den ersten und zweiten Gebieten 191, 192 der zweiten Superjunction-Struktur 190 und die horizontalen Abmessungen der ersten und zweiten Gebiete 191, 192 sind derart bestimmt, dass die Ladungen der Dotierstoffe sich annähernd aufheben und die gesamte Raumladung in den verarmten ersten und zweiten Gebieten 191, 192 unterhalb der Durchbruchspannung des Halbleitermaterials der Driftzone 121, zum Beispiel höchstens 2E12 cm–2 für Silizium, liegt.
  • Eine zweite vertikale Ausdehnung v2 der zweiten Superjunction-Struktur 190 ist geringer als die erste vertikale Ausdehnung v1 der ersten Superjunction-Struktur 180. Beispielsweise kann v2 gleich 0 sein, so dass keine Superjunction-Struktur im Reservoirbereich 638 ausgebildet ist und der Reservoirbereich 638 frei von jeglicher Superjunction-Struktur ist. Eine zweite Distanz d2 zwischen der zweiten Superjunction-Struktur 190 und der Kollektorstruktur 130 kann größer als eine erste Distanz d1 zwischen der ersten Superjunction-Struktur 180 und der Kollektorstruktur 130 sein.
  • Im Reservoirbereich 638 bildet ein Abschnitt der Drainstruktur 120 ohne Superjunction-Struktur und außerhalb der zweiten Superjunction-Struktur 190 eine Reservoirzone 195 des ersten Leitfähigkeitstyps. Die Reservoirzone 195 kann eine Dotierstoffkonzentration gleich der Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 und gleich höchstens ein Fünftel oder höchstens ein Zehntel der mittleren Dotierstoffkonzentration in den ersten Gebieten 181 der ersten Superjunction-Struktur 180 aufweisen.
  • 1C bezieht sich auf eine Ausführungsform, wobei der Reservoirbereich 638 frei von jeglicher Superjunction-Struktur ist und die Reservoirzone 195 eine vertikale Ausdehnung gleich der ersten vertikalen Ausdehnung v1 der ersten Superjunction-Struktur 180 hat.
  • In der Reservoirzone 195 bildet sich ein dichtes Ladungsträgerplasma im Ein- bzw. Durchlasszustand der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500. Wenn die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 abschaltet, liefert das Ladungsträgerplasma in der Reservoirzone 195 sukzessiv Ladungsträger für ein sanftes Schaltverhalten. Verglichen mit Ladungsträgern im niederohmigen Bereich 632 werden Ladungsträger in der schwach dotierten Reservoirzone 195 bei einer geringeren Geschwindigkeit abgeleitet. Solange Ladungsträger abgeleitet werden, steigt die Spannung über die Superjunction-Halbleitervorrichtung nur langsam an, so dass die Rate eines Anstiegs von UCE auf einen akzeptablen Wert von zum Beispiel 5 bis 10 kV/μs gedämpft werden kann. Andererseits halten die niederohmigen Bereiche 632 die gesamten Schalt- und Durchlassverluste niedrig, da Ladungsträger aus diesen Bereichen schon bei einer niedrigen Spannung abgeleitet werden.
  • Effekte der Ausführungsformen werden mit Verweis auf 2A, die eine Vergleichsvorrichtung 599 zeigt, und 2B detaillierter diskutiert, die eine Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 gemäß den Ausführungsformen schematisch zeigt.
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf aktive n-Kanal-Transistorzellen aTC mit Sourcezonen vom n-Typ, Bodyzonen vom p-Typ, ersten Gebieten 181 vom n-Typ, zweiten Gebieten 182 vom p-Typ, einer Driftzone 121 von n-Typ und einer Kollektorstruktur 130 vom p-Typ. Äquivalente Betrachtungen finden Anwendung auf komplementär dotierte Superjunction-Halbleitervorrichtungen mit aktiven p-Kanal-Transistorzellen aTC.
  • Das Superjunction-Gebiet 630 der Vergleichsvorrichtung 599, die in 2A veranschaulicht ist, umfasst eine gleichmäßige Superjunction-Struktur 180 mit abwechselnd angeordneten ersten Gebieten 181 und entgegengesetzt dotierten zweiten Gebieten 182. IGFET-Zellen bilden aktive Transistorzellen aTC mit Bodyzonen, die erste pn-Übergänge pn1 mit den ersten Gebieten 181 und zweite pn-Übergänge mit Sourcezonen bilden. Die Source- und Bodyzonen sind mit einer ersten Lastelektrode 310 an der Vorderseite direkt verbunden, welche einen Emitteranschluss E bilden kann oder welche mit einem solchen elektrisch verbunden sein kann. Gateelektroden der aktiven Transistorzellen aTC können mit einem Gateanschluss G elektrisch verbunden oder gekoppelt sein. Eine Kollektorstruktur 130 kann mit der zweiten Lastelektrode 320 elektrisch verbunden sein, welche einen Kollektoranschluss C bilden oder welche mit einem solchen elektrisch verbunden sein kann.
  • Die zweiten Gebiete 182 können strukturell mit den Bodyzonen der aktiven Transistorzellen aTC verbunden sein, oder eine entgegengesetzt dotierte Zwischenzone kann die Bodyzonen von den zweiten Gebieten 182 so trennen, dass die zweiten Gebiete 182 potentialfrei bzw. im Float-Zustand sind.
  • Falls die zweiten Gebiete 182 mit den Bodyzonen 115 der aktiven Transistorzellen aTC verbunden sind, werden in dem Ein- bzw. Durchlasszustand von der Kollektorstruktur 130 injizierte Löcher durch die zweiten Gebiete 182 zur ersten Lastelektrode 310 abgeleitet, so dass die Ladungsträgerplasmadichte in Abschnitten der Drainstruktur 120, die die zweiten Gebiete 182 umfasst, vergleichsweise niedrig ist und die Durchlassspannung über die Vergleichsvorrichtung 599 vergleichsweise hoch ist.
  • Falls die zweiten Gebiete 182 potentialfrei sind, werden die entsprechenden Minoritätsladungsträger nicht abgeleitet, ist Ladungsträgerplasmadichte hoch und die resultierende Durchlassspannung über die Vergleichsvorrichtung 599 ist vergleichsweise niedrig.
  • Wenn die Vergleichsvorrichtung 599 abschaltet, können die Ladungsträger im Bereich sowohl der zweiten Gebiete 182 als auch der ersten Gebiete 181 bei einer vergleichsweise niedrigen Kollektor-Emitter-Spannung UCE verarmt werden, wobei Löcher durch die zweiten Gebiete 182 zur ersten Lastelektrode 310 an der Vorderseite abgeleitet werden und Elektronen durch die ersten Gebiete 181 zur zweiten Lastelektrode 320 auf der Rückseite abgeleitet werden. Unmittelbar nachdem die mobilen Ladungsträger abgeleitet worden sind, kann die Vergleichsvorrichtung 599 eine höhere Spannung übermitteln. Da die hohe Leitfähigkeit in den ersten und zweiten Gebieten 181, 182 eine schnelle Verarmung der mobilen Ladungsträger erleichtert, ist der Übergang von der Phase hoher Strom/niedrige Spannung zur Phase kein Strom/hohe Spannung abrupt, und die Rate eines Anstiegs von UCE kann Werte von bis zu 100 kV/μs und mehr erreichen.
  • Steile Übergänge sind in einer elektronischen Schaltung typischerweise nicht erwünscht, da die steile Änderung eine Oszillation bzw. gedämpfte Schwingung (engl. ringing) und Spannungsspitzen zur Folge hat, die von anderen Komponenten der elektrischen Schaltung der Anwendung beherrscht werden müssen. Ferner können Prozessvariationen Variationen des Kompensationsgrads innerhalb der Superjunction-Struktur 180 zur Folge haben, so dass einige der hergestellten Vergleichsvorrichtungen 599 geringfügig p-geladen sein können, während andere geringfügig n-geladen sein können. In p-geladenen Vergleichsvorrichtungen 599 werden zuerst die Ladungsträger an der Vorderseite abgeleitet, wohingegen in geringfügig n-geladenen Vergleichsvorrichtungen 599 zuerst Gebiete weit entfernt von der ersten Lastelektrode 310 veramt werden. Der signifikante Unterschied in beiden Mechanismen hat eine starke Spreizung der Schaltparameter zur Folge.
  • Ein Vergrößern der Distanz der Superjunction-Struktur 180 zur Kollektorstruktur 130 verlängert den Weg hoher Impedanz in der Drainstruktur 120 und erhöht die gesamten Schaltverluste, da in dem Abschnitt der Driftzone 121 zwischen der Superjunction-Struktur 180 und der Kollektorstruktur 130 oder zwischen der Superjunction-Struktur 180 und einer Feldstoppschicht 128 die mobilen Ladungsträger nur bei vergleichsweise hohen Spannungen abgeleitet werden.
  • Ein Erhöhen der Dotierstoffkonzentrationen in Zwischenzonen, die die Bodyzonen der aktiven Transistorzellen aTC von den zweiten Gebieten 182 trennen, hat zur Folge, dass die Verarmungszone die zweiten Gebiete 182 nur bei einer vergleichweise hohen Sperrspannung erreicht. Sobald aber die Verarmungszone die zweiten Gebiete 182 erreicht, werden die Ladungsträger bei nur geringer zusätzlicher Spannung abgeleitet, wohingegen der folgende Abschnitt der ansteigenden Flanke der Sperrspannung vergleichsweise steil wird.
  • Die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 2B unterscheidet sich von der Vergleichsvorrichtung 599 von 2A dadurch, dass zusätzlich zu einem niederohmigen Bereich 632 mit einer ersten Superjunction-Struktur 180 ähnlich derjenigen der Vergleichsvorrichtung 599 von 2A sie einen Reservoirbereich 638 umfasst, in welchem die Drainstruktur 120 eine Reservoirzone 195 umfasst, in der keine Superjunction-Struktur ausgebildet ist. Die Dotierstoffkonzentration der Reservoirzone 195 kann derjenigen der Driftzone 121 entsprechen und ist signifikant niedriger als in den ersten Gebieten 181 der ersten Superjunction-Struktur 180. Der Reservoirbereich 638 kann auch eine zweite Superjunction-Struktur 190 mit einer kleineren vertikalen Ausdehnung als die erste Superjunction-Struktur 180 umfassen.
  • Im Ein-Zustand der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 werden die ersten pn-Übergänge pn1 durchlässig für Elektronen, und Elektronen, die die ersten pn-Übergänge pn1 zwischen den Bodyzonen und den ersten Gebieten 181 passieren, sowie Löcher, die von der Kollektorstruktur 130 injiziert werden, bilden ein dichtes Ladungsträgerplasma in der Drainstruktur 120.
  • Wenn die Gatespannung unter eine Gate-Schwellenspannung fällt und die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 abschaltet, werden im niederohmigen Bereich 632 Löcher durch die zweiten Gebiete 182 zur Vorderseite abgeleitet und Elektronen werden durch die Kollektorstruktur 130 zur Rückseite abgeleitet, so dass der niederohmige Bereich 632 mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit und bei einer niedrigen Spannung verarmt wird. Infolge des höheren Widerstands des Reservoirbereichs 638 tritt eine Entladung der Ladungsträger aus der Reservoirzone 195 bei einer viel höheren Spannung auf und verzögert sowohl die abfallende Flanke des Kollektorstroms IC als auch die ansteigende Flanke der Sperrspannung UCE.
  • Der Gebietsabschnitt des Reservoirbereichs 638 kann zugeschnitten bzw. angepasst werden, um den Spezifikationen für die Rate eines Anstiegs von UCE zu entsprechen, so dass die gesamten Schaltverluste für eine bestimmte Rate eines Anstiegs von UCE so niedrig wie möglich sind. Die Reservoirbereiche 638 können in jedem beliebigen Abschnitt innerhalb des Superjunction-Gebiets 630 ausgebildet sein.
  • 3A zeigt einen Reservoirbereich 638, der mehrere isolierte Teilbereiche 638a innerhalb des aktiven Transistorzellengebiets 610 umfasst. Die Teilbereiche 638a können bezüglich einer horizontalen Mittelachse des aktiven Transistorzellengebiets 610 oder bezüglich zweier orthogonaler horizontaler Mittelachsen des aktiven Transistorzellengebiets 610 symmetrisch ausgebildet sein.
  • Horizontale Querschnittsflächen der Reservoirbereiche 638 oder der Teilbereiche 638a können Polygone wie etwa Quadrate, Rechtecke, reguläre oder verzerrte Hexagone oder Oktagone, Streifen, Kreise, Ovale oder Ellipsen sein. Teilabschnitte 638a können über das aktive Transistorzellengebiet 610 gleich verteilt sein oder können zu einem regulären Gitter ausgerichtet sein. Gemäß anderen Ausführungsformen kann ein Gebietsabschnitt des Reservoirbereichs 638 mit abnehmender Distanz zum Abschlussgebiet 690 zunehmen oder abnehmen.
  • In 3B umfasst der Reservoirbereich 638 zwei isolierte Teilbereiche 638a, wobei jeder Teilbereich 638a mit sowohl dem aktiven Transistorzellengebiet 610 als auch dem Abschlussgebiet 690 überlappt. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Teilbereiche 638a ausschließlich in dem Abschlussgebiet 690 ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Reservoirbereich 638 ausschließlich in dem aktiven Transistorzellengebiet 610 ausgebildet sein.
  • Die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 3C umfasst eine Gate-Leiterstruktur 330 auf der ersten Oberfläche 101. Die Gate-Leiterstruktur 330 kann ein Gate-Pad 331 umfassen, welches einen Gateanschluss der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 bilden kann oder welches ein Bond-Pad bzw. -Kissen für einen Bonddraht bilden kann, der das Gate-Pad mit dem Gateanschluss elektrisch verbindet. Die Gate-Leiterstruktur 330 kann ferner einen Gatefinger 332 umfassen, der Gateelektroden einer Vielzahl von aktiven Transistorzellen aTC elektrisch verbindet. Der Reservoirbereich 638 kann ausschließlich in einer vertikalen Projektion eines Abschnitts der Gate-Leiterstruktur 330 ausgebildet sein oder kann zumindest mit einer vertikalen Projektion der Gate-Leiterstruktur 330 überlappen.
  • 4A bis 4C beziehen sich auf vertikale Querschnittsansichten eines Abschnitts der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 3A entlang einer Linie IV-IV. Die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 umfasst eine Feldstoppschicht 128 des ersten Leitfähigkeitstyps, die zwischen der Driftzone 121 und der Kollektorstruktur 130 sandwichartig angeordnet ist. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 kann zumindest dreimal, zum Beispiel mindestens zehnmal so hoch wie die Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 sein.
  • In 4A umfasst der Reservoirbereich 638 eine zweite Superjunction-Struktur 190 mit einer mittleren zweiten vertikalen Ausdehnung v2, die geringer als eine erste vertikale Ausdehnung v1 der ersten Superjunction-Struktur 10 im niederohmigen Bereich 632 ist. Beispielsweise beträgt die mittlere zweite vertikale Ausdehnung v2 höchstens 90%, zum Beispiel höchstens 50% der ersten vertikalen Ausdehnung v1.
  • Eine erste Distanz d1 zwischen den ersten und zweiten Gebieten 181, 182 und der Kollektorstruktur 130 ist geringer als eine mittlere zweite Distanz d2 zwischen den ersten und zweiten Gebieten 191, 192 und der Kollektorstruktur 130. Eine Distanz von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten ersten Gebieten 191 der zweiten Superjunction-Struktur 190 kann gleich der Distanz von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten ersten Gebieten 181 der ersten Superjunction-Struktur 180 sein oder sich davon unterscheiden.
  • Eine Reservoirzone 195 ist im Volumen des Halbleiterkörpers 100 im Reservoirbereich 638 zwischen den ersten und zweiten Gebieten 191, 192 der zweiten Superjunction-Struktur 190 an einer Seite und einer Ebene ausgebildet, die durch die vergrabenen Ränder der ersten und zweiten Gebiete 181, 182 der ersten Superjunction-Struktur 180 aufgespannt wird, die zur zweiten Oberfläche 102 an der anderen Seite orientiert sind. Die Reservoirzone 195 ist vom ersten Leitfähigkeitstyp und kann eine Dotierstoffkonzentration aufweisen, die signifikant niedriger als eine Dotierstoffkonzentration in den ersten Gebieten 191 der zweiten Superjunction-Struktur 190 ist. Beispielsweise beträgt die Dotierstoffkonzentration in der Reservoirzone 195 höchstens ein Fünftel oder höchstens ein Zehntel der Dotierstoffkonzentration in den ersten Gebieten 191 der zweiten Superjunction-Struktur 190. Beispielsweise liegt die Dotierstoffkonzentration in der Reservoirzone 195 in einem Bereich von 1E12 cm–3 bis 1E15 cm–3, zum Beispiel in einem Bereich von 5E12 cm–3 bis 5E13 cm–3.
  • In 4B ist der Reservoirbereich 638 frei von jeglicher Superjunction-Struktur, und die Reservoirzone 195 erstreckt sich zwischen einer Ebene, die durch einen vergrabenen Rand der aktiven Transistorzellen aTC an einer Seite aufgespannt wird, und einer Ebene, die durch den vergrabenen Rand der ersten Superjunction-Struktur 180 im niederohmigen Bereich 632 an der anderen Seite aufgespannt wird.
  • In der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 4C umfasst der Reservoirbereich 638 eine zentrale Sektion 638x, in der die vertikale Ausdehnung der ersten und zweiten Gebiete 191, 192 der zweiten Superjunction-Struktur 190 einen minimalen Wert hat, sowie eine Übergangssektion 638y, in der die vertikalen Ausdehnungen der ersten und zweiten Gebiete 191, 192 der zweiten Superjunction-Struktur 190 sich von der ersten vertikalen Ausdehnung v1 zur zweiten vertikalen Ausdehnung v2 allmählich ändern. Die Übergangssektion 638y kann erste und zweite Gebiete 191, 192 der gleichen vertikalen Ausdehnung oder mit verschiedenen vertikalen Ausdehnungen, wie veranschaulicht, umfassen.
  • 5A bis 5D veranschaulichen den Effekt der Reservoirzone 195 der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 4A.
  • Im Ein- bzw. Durchlasszustand übersteigt ein an den Gateanschluss G angelegtes Gatepotential eine Schwellenspannung der aktiven Transistorzellen aTC, bei welcher Inversionskanäle, die entlang einem Gatedielektrikum ausgebildet werden, Sourcezonen vom n-Typ mit den ersten Gebieten 181, 182 vom n-Typ verbinden und Elektronen die Drainstruktur 120 fluten. Die Elektronen sind wirksam als ein Basisstrom für den pnp-Bipolar-Übergangstransistor, der von den Bodyzonen vom p-Typ der aktiven Transistorzellen aTC, Abschnitten vom n-Typ der Drainstruktur 120 und der Kollektorstruktur 130 vom p-Typ gebildet wird, wobei die Kollektorstruktur 130 Löcher in die Drainstruktur 120 injiziert. Es ergibt sich ein bipolarer Laststrom, der in vertikaler Richtung zwischen der ersten Lastelektrode 310, die mit dem Emitteranschluss E elektrisch verbunden ist, und der zweiten Lastelektrode 320 fließt, die mit dem Kollektoranschluss C elektrisch verbunden ist.
  • 5D zeigt einen hohen Kollektorstrom IC und eine niedrige Kollektor-Emitter-Spannung UCE für t < t0. Bei t = t0 fällt die Gatespannung unter die Schwellenspannung, und die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 beginnt abzuschalten.
  • Direkt nach t = t0 sind noch mobile Ladungsträger in der Drainstruktur 120 vorhanden und fließen weiter zu den Lastelektroden 310, 320, wodurch der volle Laststrom für eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten wird. Löcher werden durch die zweiten Gebiete 182, 192 zur Vorderseite abgeleitet, und Elektronen werden durch die ersten Gebiete 181, 191 zur Rückseite abgeleitet. Da die ersten und zweiten Gebiete 181, 191, 182, 192 stark dotiert sind und einen niedrigen Widerstand aufweisen, werden Elektronen und Löcher von sowohl den ersten als auch zweiten Superjunction-Strukturen 180, 190 bei einem vergleichsweise niedrigen UCE schnell aufgebraucht.
  • 5A zeigt eine Grenze 401 der Verarmungszone, nachdem die Superjunction-Strukturen 180, 190 vollständig verarmt wurden, bei t = t1.
  • Für t1 < t < t2 nimmt UCE mit einer schnelleren Rate als für t0 < t < t1 zu. Die Anstiegsrate dU/dt von UCE kann durch Abmessungen der und eine Dotierstoffkonzentration in der Reservoirzone 195 definiert werden und ist kleiner als die Anstiegsrate einer Vergleichsvorrichtung ohne Reservoirzone 195.
  • Die aus Reservoirzone 195 verarmten bzw. aufgebrauchten Ladungsträger können noch den vollen Laststrom IL für eine bestimmte Zeitspanne tragen, wodurch UCE stetig zunimmt. Wenn UCE eine Gleichstrom-Zwischenkreisspannung UDCL bei t = t2 übersteigt, beginnt in typischen Anwendungen von IGBTs, zum Beispiel in einer Halbbrückenschaltung, eine Freilaufdiode, den von der Last gezogenen Laststrom zu liefern, und der Kollektorstrom IC beginnt abzunehmen.
  • 5B zeigt die Lage der Grenze 401 der Verarmungszone für einen Zeitpunkt zwischen t1 und t2, wenn die Superjunction-Strukturen 180, 190 und ein Teil bzw. Abschnitt der Reservoirzone 195, der zur Vorderseite orientiert ist, vollständig verarmt sind.
  • Bei t = t4 entspricht der Kollektorstrom IC schließlich dem Leckstrom, der im Aus-Zustand fließt. Für t3 < t < t4 kann der Kollektorstrom IC allmählich abnehmen und einen Deaktivierungsstrom (engl. tail current) liefern, dessen Betrag von der Gleichstrom-Zwischenkreisspannung UDCL und dem Verarmungszustand der Reservoirzone 195 abhängt.
  • 5C zeigt die Grenze 401 der Verarmungszone bei t = t3, wenn die Reservoirzone 195 nahezu vollständig verarmt ist, der Kollektorstrom IC nahe dem Leckstrom liegt und die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 ihr volles Spannungssperrvermögen hat.
  • Bei einem geeigneten Gebietsverhältnis zwischen Reservoirbereich 638 und niederohmigem Bereich 632 kann ein sanfter Schaltvorgang zum Abschalten verbessert werden, da die Reservoirzonen 195 einen ausreichend großen Deaktivierungsstrom am Ende eines Abschaltens liefern können.
  • 6A bis 6G beziehen sich auf auf RC-IGBTs gerichtete Ausführungsformen.
  • Die Superjunction-Halbleitervorrichtung von 6A ist ein RC-IGBT oder enthält einen RC-IGBT, welcher einen verteilten Diodenabschnitt im gleichen Halbleiterkörper 100 integriert, in welchem ein IGBT-Abschnitt ausgebildet ist. Zu diesem Zweck umfasst die Kollektorstruktur 130 sowohl stark p+-dotierte IGBT-Zonen 131, die die IGBT-Funktionalität tragen, als auch stark n+-dotierte Diodenkathodenzonen 132, die die Diodenfunktionalität tragen. Die IGBT-Zonen 131 und die Diodenkathodenzonen 132 können gleichmäßig verteilt sein oder das Gebietsverhältnis von entweder den IGBT-Zonen 131 oder den Diodenkathodenzonen 132 kann mit abnehmender Distanz zu einem Abschlussgebiet abnehmen. Die Kollektorstruktur 130 kann auch eine große stark p+-dotierte Pilotzone (engl. pilot zone) zum Verbessern der Durchlass-Charakteristiken des IGBT-Abschnitts umfassen. Die Gebietsabschnitte von IGBT-Zonen 131 und Diodenkathodenzonen 132 können in dem Reservoirbereich 638 und zumindest angrenzenden Abschnitten des niederohmigen Bereichs 632 gleich sein.
  • 6B zeigt die Diodenkathodenzonen 132, die ausschließlich oder zumindest vorwiegend innerhalb des Reservoirbereichs 638 ausgebildet sind, um das Kommutierungsverhalten des Diodenabschnitts zu verbessern. Was eine Kommutierung anbetrifft, finden die gleichen Betrachtungen, wie sie oben für die IGBT-Funktionalität skizziert wurden, ebenfalls Anwendung auf die Diodenfunktionalität. Ein Ausbilden der Diodenkathodenzonen 132, vorwiegend in dem Reservoirbereich 638, beeinflusst vorwiegend die Diodenfunktionalität, wohingegen die IGBT-Funktionalität nahezu unbeeinflusst bleibt.
  • In 6C ersetzen schwach n–-dotierte Zonen 132a die IGBT-Zonen 131 in zumindest Abschnitten des Reservoirbereichs 638, so dass der Diodenbereich keine oder nur wenige IGBT-Zonen 131 umfasst und parasitäre Effekte der IGBT-Zonen 131 auf die Diodenfunktionalität signifikant reduziert werden. Beispielsweise kann die Ausgangscharakteristik der Diode in einem höherem Maße unabhängig von der Gatespannung werden, die an die aktiven Transistorzellen aTC im niederohmigen Bereich 632 angelegt wird, wie in Verbindung mit 6F im Folgenden beschrieben wird.
  • Während in der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 6C schwach n–-dotierte Zonen 132a die stark dotierten Diodenkathodenzonen 132 trennen, umfasst die Kollektorstruktur 130 von 6D eine durchgehende stark n+-dotierte Diodenkathodenzone 132 innerhalb des Reservoirbereichs 638.
  • In 6E erstreckt sich die Diodenkathodenzone 132 über den kompletten Reservoirbereich 638, so dass der gesamte Reservoirbereich 638 als Diodenbereich wirksam ist. In diesem Fall hat die Reservoirzone 195 nur einen geringen Einfluss auf die IGBT-Funktionalität, und mehr oder weniger nur der Diodenbereich profitiert von der Reservoirzone 195. Oft sind RC-IGBTs in elektrischen Schwingkreisen ausgeführt bzw. implementiert, in welchen der Stromwert und die Kapazität des Schwingkreises die Anstiegsrate dU/dt von UCE bestimmen, so dass die oben diskutierten Effekte eines harten Schaltenvorgangs geringere Bedeutung haben.
  • Die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 6F kombiniert die Diodenkathodenzone 132 von 6D mit einer Diodenanodenzone 196 vom p-Typ, die einige der aktiven Transistorzellen aTC im Reservoirbereich 638 in einer vertikalen Projektion der Diodenkathodenzone 132 ersetzt. Ein Ersetzen der aktiven Transistorzellen aTC im Diodenbereich durch die Diodenanodenzone 196 reduziert weiter den Einfluss der Gatespannung auf die Ausgangscharakteristiken der Diode.
  • Dotierstoffkonzentrationen und Tiefe des Dotierstoffprofils der Diodenanodenzone 196 und der Reservoirzone 195 können so ausgewählt werden, dass im Sperrzustand ein Dioden-pn-Übergang pn4 zwischen der Diodenanodenzone 196 und der Reservoirzone 195 ein höheres elektrisches Feld als die ersten pn-Übergänge pn1 zwischen den Bodyzonen der aktiven Transistorzellen aTC und den ersten Gebieten 181 der ersten Superjunction-Struktur 180 erzeugt. Als Ergebnis wird ein Lawinendurchbruch auf ein Gebiet der Diodenanodenzonen 196 begrenzt bzw. dort verankert (engl. pinned), und auch eine Unempfindlichkeit gegen eine Lawine kann verglichen mit einem RC-IGBT mit der gleichen vertikalen Ausdehnung der Drainstruktur 120 verbessert werden, oder die vertikale Ausdehnung der Drainstruktur 120 kann ohne Verlust einer Unempfindlichkeit bzw. Widerstandsfähigkeit gegen eine Lawine reduziert werden.
  • 6G kombiniert die Ausführungsform der Diodenkathodenzone 132 von 6E mit einer Diodenanodenzone 196, die alle aktiven Transistorzellen aTC im Reservoirbereich 638 ersetzt.
  • Zumindest die Drainstruktur 120 des Halbleiterkörpers 100 kann wie in 7 veranschaulicht Rekombinationszentren 197 enthalten, die eine Ladungsträgerlebensdauer mobiler Ladungsträger reduzieren.
  • Die Rekombinationszentren 197 können Kristalldefekte sein, die durch Belichtung mit einem Teilchenstrahl, zum Beispiel einem Elektronenstrahl, erzeugt werden, oder können Metallatome wie etwa Platin (Pt) oder Gold (Au) sein, wobei die Metallatome an Kristalldefekten gegettert bzw. gebunden (engl. gettered) werden können. Ein Reduzieren der Lebensdauer von Ladungsträgern kann ein Schaltverhalten der Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 verbessern, da weniger Ladungsträger abgeleitet werden müssen, wenn die Vorrichtung von einem leitenden Zustand in einen Sperrzustand wechselt. Eine mittlere Dichte von Rekombinationszentren 197 im Reservoirbereich 638 kann signifikant niedriger sein als eine mittlere Dichte von Rekombinationszentren im niederohmigen Bereich 632, so dass der Einfluss der Rekombinationszentren 197 auf die Reservoirzone 195 gering ist.
  • Die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 8A enthält gegendotierte Inseln 198, die zwischen den Superjunction-Strukturen 180, 190 und der Kollektorstruktur 130 ausgebildet sind. Gemäß einer Ausführungsform können die gegendotierten Inseln 198 direkt an die Feldstoppschicht angrenzen oder können in sie eingebettet sein. Eine Dotierstoffkonzentration und Abmessungen der gegendotierten Inseln 198 sind derart ausgewählt, dass bei hohen Stromdichten ein Lawinendurchbruch entlang den gegendotierten Inseln 198 stattfindet. Während eines Lawinendurchbruchs liefern die gegendotierten Inseln 198 zusätzliche freie Ladungsträger in einer kritischen Phase des Schaltprozesses. Die gegendotierten Inseln 198 können ausschließlich oder zumindest hauptsächlich im niederohmigen Bereich 632 ausgebildet sein.
  • Der Effekt der Reservoirzone 195 approximiert den Effekt eines lokal verstärkten rückseitigen Emitters, wo verstärkte IGBT-Zonen mit lokal erhöhter Emittereffizienz ausreichende Ladungsträger für einen ausreichenden Deaktivierungsstrom während eines Abschaltens liefern. Anders als in herkömmlichen, lokal verstärkten rückseitigen Emittern kann die Kollektorstruktur 130 homogen sein und kann ohne weiteren Lithographieprozess gebildet sein. Die homogene Kollektorstruktur 130 liefert ferner eine homogene Injektion von Löchern über die komplette Chipfläche und wirkt einer lokalen Verstärkung des elektrischen Feldes nahe der Kollektorstruktur 130 entgegen, was durch hohe Elektronenstromdichten im Kurzschlussfall ausgelöst werden kann. Als Folge kann die Reservoirzone 195 einen ähnlichen Effekt wie lokal verstärkte rückseitige Emitter bei geringerem Herstellungsaufwand und bei verbesserter Unempfindlichkeit gegen Kurzschluss erzielen.
  • Gemäß 8B kann die Reservoirzone 195 mit lokalen verstärkten rückseitigen Emitterzonen 139 kombiniert werden, deren Dotierstoffkonzentration höher als in den IGBT-Zonen 131 ist, um einen Kompromiss bzw. Ausgleich zwischen Unempfindlichkeit gegen Kurzschluss und sanftem Schaltvorgang einzustellen.
  • Die Funktionalität der Reservoirzone 195 kann mit einem beliebigen Typ aktiver Transistorzellen aTC kombiniert werden.
  • Die Superjunction-Halbleitervorrichtung 500 von 9A basiert auf einem Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Superjunction-Struktur 180 mit entgegengesetzt dotierten ersten und zweiten Gebieten 181, 182 und einer zweiten Superjunction-Struktur 190 mit entgegengesetzt dotierten ersten und zweiten Gebieten 191, 192. Eine Reservoirzone 195 erstreckt sich zwischen einem vergrabenen Rand der zweiten Superjunction-Struktur 190 und einer Ebene, die durch den vergrabenen Rand der ersten Superjunction-Struktur 180 an der anderen Seite aufgespannt wird.
  • Wannen vom p-Typ, die Bodyzonen 115 von Paaren aktiver Transistorzellen aTC enthalten, sind in der vertikalen Projektion der zweiten Gebiete 182, 192 jeweils ausgebildet. Die Wannen vom p-Typ können sich horizontal in die vertikale Projektion der ersten Gebiete 181, 191 vom n-Typ erstrecken. Die Bodyzonen 115 bilden erste pn-Übergänge pn1 mit den ersten Gebieten 181, 191 vom n-Typ und trennen die ersten Gebiete 181 von Sourcezonen 110 vom n-Typ, welche als Wannen ausgebildet sein können, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die die Bodyzonen 115 enthaltende Wanne vom p-Typ erstrecken.
  • Gatestrukturen 150 können auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein. Die Gatestrukturen 150 umfassen eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 151, das die Gateelektrode 155 zumindest von den Bodyzonen 115 trennt, die in dem Halbleiterkörper 100 ausgebildet sind. Die Gateelektrode 155 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur aufweisen, die eine oder mehr metallhaltige Schichten umfasst. Gemäß einer Ausführungsform kann die Gateelektrode 155 eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht umfassen oder aus einer solchen bestehen.
  • Das Gatedielektrikum 151 kann eine gleichmäßige Dicke aufweisen und kann ein Halbleiteroxid, z. B. thermisch gewachsenes oder abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, zum Beispiel abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, oder ein Halbleiteroxinitrid, zum Beispiel Siliziumoxinitrid, oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen.
  • Ein Zwischenschichtdielektrikum 210 kann die Gateelektroden 155 von einer ersten Lastelektrode 310 isolieren. Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann beispielsweise eine oder mehr dielektrische Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, dotiertem oder nicht dotiertem Silikatglas, zum Beispiel BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas) oder BPSG (Borphosphorsilikatglas), umfassen.
  • Kontaktstrukturen 315, die sich durch Öffnungen in dem Zwischenschichtdielektrikum 210 erstrecken, können die erste Lastelektrode 310 mit den Bodyzonen 115 und den Sourcezonen 110 elektrisch verbinden. Die erste Lastelektrode 310 kann ein erster Lastanschluss, zum Beispiel der Emitteranschluss E eines n-IGBT, sein oder kann mit einem solchen elektrisch gekoppelt oder verbunden sein.
  • Ein Abschnitt einer Driftzone 121 kann die erste Superjunction-Struktur 180 und die Reservoirzone 195 von einer Feldstoppschicht 128 trennen. Eine Kollektorstruktur 130 ist zwischen der Feldstoppschicht 128 und einer zweiten Lastelektrode 320 an der Rückseite des Halbleiterkörpers 100 sandwichartig angeordnet.
  • Die zweite Lastelektrode 320, welche direkt an die zweite Oberfläche 102 und an die Kollektorstruktur 130 angrenzt, kann ein zweiter Lastanschluss sein, welcher der Kollektoranschluss C eines n-IGBT sein kann, oder kann mit einem solchen elektrisch verbunden sein.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil(e) aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Legierungen aus Aluminium oder Kupfer, zum Beispiel AlSi, AlCu oder AlSiCu, bestehen oder diese enthalten. Gemäß anderen Ausführungsformen kann zumindest eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 als Hauptbestandteil(e) Nickel (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Vanadium (V), Silber (Ag), Gold (Au), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) enthalten. Beispielsweise kann zumindest eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 zwei oder mehr Teilschichten umfassen, wobei jede Teilschicht ein oder mehr von Ni, Ti, V, Ag, Au, Pt, W und Pd als Hauptbestandteil(e) enthält, zum Beispiel einen Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung.
  • Die zweiten Gebiete 182, 192 vom p-Typ können strukturell mit den die Bodyzonen 115 umfassenden Wannen vom p-Typ verbunden sein, so dass Ladungsträger vom p-Typ aus einem Mittelabschnitt des Halbleiterkörpers 100 zur Vorderseite wirksam abgeleitet werden.
  • In 9B trennt eine Zwischenschicht 118 vom n-Typ die die Bodyzonen 115 umfassenden Wannen vom p-Typ von den zweiten Gebieten 182, 192, um die Verarmung bzw. die Erschöpfung von Löchern aus einem Mittelabschnitt des Halbleiterkörpers 100 zu verzögern.
  • In 9C sind die Gatestrukturen 150 als Graben-Gatestrukturen ausgebildet, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform sind die Gatestrukturen 150 in der vertikalen Projektion der ersten Gebiete 181, 191 vom n-Typ ausgebildet. Bodyzonen 115 vom p-Typ sind in einer Schicht vom p-Typ ausgebildet und erstrecken sich zwischen benachbarten Gatestrukturen 150.
  • 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 gezeigten und beschriebenen spezifischen 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 (22)

  1. Superjunction-Bipolartransistor, umfassend: ein aktives Transistorzellengebiet (610) mit aktiven Transistorzellen (aTC), die mit einer ersten Lastelektrode (310) an einer Vorderseite eines Halbleiterkörpers (100) elektrisch verbunden sind; ein Superjunction-Gebiet (630), das das aktive Transistorzellengebiet (610) überlappt, wobei das Superjunction-Gebiet (630) einen niederohmigen Bereich (632) und einen Reservoirbereich (638) außerhalb des niederohmigen Bereichs (632) umfasst, wobei der niederohmige Bereich (632) eine erste Superjunction-Struktur (180) mit einer ersten vertikalen Ausdehnung (v1) bezüglich einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) umfasst und wobei der Reservoirbereich (638) keine Superjunction-Struktur (180) oder eine zweite Superjunction-Struktur (190) mit einer mittleren zweiten vertikalen Ausdehnung (v2), die geringer als die erste vertikale Ausdehnung (v1) ist, umfasst.
  2. Superjunction-Bipolartransistor nach Anspruch 1, wobei der Reservoirbereich (638) eine Mittelsektion (638x) und eine Übergangssektion (638y) zwischen der Mittelsektion (638x) und dem niederohmigen Bereich (632) umfasst, und wobei eine mittlere vertikale Ausdehnung eines Abschnitts der zweiten Superjunction-Struktur (190) in der Übergangssektion (638y) größer als eine vertikale Ausdehnung eines Abschnitts der zweiten Superjunction-Struktur (190) in der Mittelsektion (638x) und geringer als die erste vertikale Ausdehnung der ersten Superjunction-Struktur (180) ist.
  3. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, ferner umfassend: eine Reservoirzone (195) im Reservoirbereich (638), wobei eine mittlere Netto-Dotierstoffkonzentration in der Reservoirzone (195) niedriger als in ersten Gebieten (181) der ersten Superjunction-Struktur (180) ist, wobei die ersten Gebiete (181) sich mit entgegengesetzt dotierten zweiten Gebieten (182) der ersten Superjunction-Struktur (180) entlang zumindest einer horizontalen Richtung parallel zur ersten Oberfläche (101) abwechseln.
  4. Superjunction-Bipolartransistor nach Anspruch 3, wobei die mittlere Netto-Dotierstoffkonzentration in der Reservoirzone (195) höchstens ein Fünftel einer mittleren Netto-Dotierstoffkonzentration in den ersten Gebieten (181) der ersten Superjunction-Struktur (180) beträgt.
  5. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die erste Superjunction-Struktur (180) und die Reservoirzone (195) in einer Drainstruktur (120) des Halbleiterkörpers (100) zwischen den Transistorzellen (aTC) und einer Kollektorstruktur (130) ausgebildet sind.
  6. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner umfassend: Rekombinationszentren (197) im Halbleiterkörper (100), wobei eine mittlere Dichte der Rekombinationszentren (197) in der Reservoirzone (195) niedriger als eine mittlere Dichte der Rekombinationszentren (197) außerhalb der Reservoirzone (195) ist.
  7. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Reservoirbereich (638) vollständig in dem aktiven Transistorzellengebiet (610) ausgebildet ist.
  8. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest ein Abschnitt des Reservoirbereichs (638) in einer vertikalen Projektion einer Gate-Leiterstruktur (330) liegt.
  9. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Reservoirbereich (638) einen Satz räumlich getrennter Teilbereiche (638a) umfasst.
  10. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Reservoirbereich (638) eine zweite Superjunction-Struktur (190) mit einer zweiten vertikalen Ausdehnung (v2), die geringer als die erste vertikale Ausdehnung (v1) der ersten Superjunction-Struktur (180) ist, umfasst.
  11. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend: eine Kollektorstruktur (130), die mit einer zweiten Lastelektrode (320) an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite direkt elektrisch verbunden ist und eine kontinuierliche Schicht bildet, die direkt an eine zweite Oberfläche (102) des Halbleiterkörpers (100) angrenzt, die der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegt, wobei die Kollektorstruktur (130) einen pn-Übergang mit einer Driftstruktur (120) bildet, die die erste Superjunction-Struktur (180) umfasst.
  12. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend: eine Kollektorstruktur (130), die direkt mit einer zweiten Lastelektrode (320) an einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite elektrisch verbunden ist und IGBT-Zonen (131) und entgegengesetzt dotierte Diodenkathodenzonen (132) umfasst, wobei die IGBT-Zonen (131) und die Diodenkathodenzonen (132) direkt an eine zweite Oberfläche (102) des Halbleiterkörpers (100) angrenzen, die der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegt.
  13. Superjunction-Bipolartransistor nach Anspruch 12, wobei die Diodenkathodenzonen (132) ausschließlich im Reservoirbereich (638) liegen.
  14. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die IGBT-Zonen (131) ausschließlich außerhalb des Reservoirbereichs (638) liegen.
  15. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend: Diodenanodenzonen (196), die direkt an die erste Oberfläche (101) im Reservoirbereich (638) angrenzen.
  16. Superjunction-Bipolartransistor nach Anspruch 15, wobei die aktiven Transistorzellen (aTC) ausschließlich außerhalb des Reservoirbereichs (638) liegen.
  17. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, ferner umfassend: gegendotierte Inseln (198) des Leitfähigkeitstyps der homogenen Kollektorstruktur (130) oder der IGBT-Zonen (131), und ausgebildet bei einer Distanz zur Kollektorstruktur (130) zwischen der ersten Superjunction-Struktur (180) und der Kollektorstruktur (130).
  18. Superjunction-Bipolartransistor nach Anspruch 17, wobei eine mittlere Dichte der gegendotierten Inseln (198) im Reservoirbereich (638) geringer als eine mittlere Dichte der gegendotierten Inseln (198) außerhalb des Reservoirbereichs (638) ist.
  19. Superjunction-Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Superjunction-Bipolartransistor ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist oder einen solchen umfasst.
  20. Superjunction-Halbleitervorrichtung, umfassend: eine erste Superjunction-Struktur (180) in einem niederohmigen Bereich (632) und keine oder eine zweite Superjunction-Struktur (190) in einem Reservoirbereich (638) außerhalb des niederohmigen Bereichs (632), wobei, falls der Reservoirbereich (638) eine zweite Superjunction-Struktur (190) umfasst, eine erste vertikale Ausdehnung (v1) der ersten Superjunction-Struktur (180) bezüglich einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) größer als eine mittlere zweite vertikale Ausdehnung (v2) der zweiten Superjunction-Struktur (190) ist, und wobei die erste Superjunction-Struktur (180) erste Gebiete (181) und entgegengesetzt dotierte zweite Gebiete (182) umfasst, die sich mit den ersten Gebieten (181) entlang zumindest einer horizontalen Richtung parallel zur ersten Oberfläche (101) abwechseln; aktive Transistorzellen (aTC) mit Bodyzonen (115), die erste pn-Übergänge (pn1) mit zumindest den ersten Gebieten (181) der ersten Superjunction-Struktur (180) und zweite pn-Übergänge (pn2) mit Sourcezonen (110) bilden; und eine Kollektorstruktur (130), die mit einer zweiten Lastelektrode (320) elektrisch verbunden ist, wobei zumindest Abschnitte der Kollektorstruktur (130) einen Leitfähigkeitstyp der Bodyzonen (115) aufweisen.
  21. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 20, ferner umfassend: eine Reservoirzone (195) im Reservoirbereich (638), wobei eine mittlere Netto-Dotierstoffkonzentration in der Reservoirzone (195) niedriger als in den ersten Gebieten (181) der ersten Superjunction-Struktur (180) ist.
  22. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 21, wobei der Reservoirbereich (638) vollständig in einem aktiven Transistorzellengebiet (610) ausgebildet ist, das die aktiven Transistorzellen (aTC) umfasst.
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