DE102015121100B4

DE102015121100B4 - Halbleiterbauelement mit grabenrandabschluss

Info

Publication number: DE102015121100B4
Application number: DE102015121100.9A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: DE102015121100A1; US20170162679A1; US10008590B2

Abstract

Halbleiterbauelement, das aufweist:einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Oberfläche (101), ein Innengebiet (111) und ein Randgebiet (112) aufweist;einen pn-Übergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem zweiten Halbleitergebiet (21) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei sich der pn-Übergang in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers (100) im Innengebiet (111) erstreckt;eine Aussparung (30), die sich in dem Randgebiet (112) von der ersten Oberfläche (101) in den Halbleiterkörper (100) erstreckt, wobei die Aussparung (30) wenigstens eine erste Seitenwand (31) aufweist;ein Dielektrikum (40), das die Aussparung (30) füllt,wobei eine Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum (40) in der lateralen Richtung mit zunehmendem Abstand von der ersten Seitenwand (31) von einem Maximum zu einem Minimum abnimmt,wobei das Maximum der Dielektrizitätszahl aus einem Bereich zwischen 10 und 30 ausgewählt ist und das Minimum der Dielektrizitätszahl aus einem Bereich zwischen 2 und 5 ausgewählt ist.

Description

Die vorliegende Beschreibung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem vertikalen Randabschluss (Mesa-Randabschluss).
Leistungshalbleiterbauelemente, wie beispielsweise Leistungsdioden, Leistungs-MOSFETs, Leistungs-IGBTs oder Leistungsthyristoren sind dazu realisiert, hohen Sperrspannungen standzuhalten. Solche Leistungsbauelemente umfassen einen pn-Übergang, der zwischen einem p-dotierten Halbleitergebiet und einem n-dotierten Halbleitergebiet gebildet ist. Das Bauelement sperrt (ist ausgeschaltet), wenn der pn-Übergang durch Anlegen einer Spannung an den pn-Übergang in Rückwärtsrichtung gepolt ist. In diesem Fall breitet sich ein Verarmungsgebiet oder Raumladungsgebiet in dem p-dotierten Gebiet und dem n-dotierten Gebiet aus. Üblicherweise ist eines dieser p-dotierten und n-dotierten Gebiete geringer als das andere dieser p-dotierten und n-dotierten Gebiete dotiert, so dass sich das Verarmungsgebiet hauptsächlich in dem geringer dotierten Gebiet ausbreitet, welches die an den pn-Übergang angelegte Spannung im Wesentlichen übernimmt. Das niedriger dotierte Gebiet, das die Sperrspannung übernimmt, wird üblicherweise in einer Diode oder einem Thyristor als Basisgebiet und in einem MOSFET oder IGBT als Driftgebiet bezeichnet.
Die Fähigkeit eines pn-Übergangs hohe Spannungen zu übernehmen ist durch das Lawinendurchbruchsphänomen begrenzt. Wenn eine an einen pn-Übergang angelegte Spannung zunimmt, nimmt ein elektrisches Feld in den Halbleitergebieten, die den pn-Übergang bilden, zu. Das elektrische Feld führt zu einer Beschleunigung von mobilen Ladungsträgern, die durch thermische Generation in dem Raumladungsgebiet hervorgerufen werden. Ein Lawinendurchbruch tritt auf, wenn aufgrund des elektrischen Feldes die Ladungsträger derart beschleunigt werden, dass sie durch Stoßionisation Elektronen-Loch-Paare erzeugen. Ladungsträger, die durch Stoßionisation erzeugt werden, erzeugen neue Ladungsträger, so dass ein Multiplikationseffekt vorhanden ist. Bei Einsetzen des Lawinendurchbruchs fließt ein erheblicher Strom über den pn-Übergang in der Rückwärtsrichtung. Das elektrische Feld, bei welchem der Lawinendurchbruch einsetzt, wird als kritisches elektrisches Feld bezeichnet. Der Absolutwert des kritischen elektrischen Feldes ist hauptsächlich abhängig von der Art des für das Herstellen des pn-Übergangs verwendeten Halbleitermaterials und ist schwach abhängig von der Dotierungskonzentration des geringer dotierten Halbleitergebiets. Eine Sperrspannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements ist die an den pn-Übergang angelegte Spannung, bei der das kritische elektrische Feld in dem Halbleiterbauelement auftritt. Diese Spannung wird häufig als Durchbruchsspannung bezeichnet.
Die Sperrspannungsfestigkeit ist nicht nur abhängig von der Art des Halbleitermaterials und dessen Dotierung, sondern auch von der speziellen Geometrie des Halbleiterbauelements. Ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper einer endlichen Größe, der durch Randflächen in lateralen Richtungen des Halbleiterkörpers begrenzt ist. In einem vertikalen Leistungshalbleiterbauelement, welches ein Halbleiterbauelement ist, bei dem sich der pn-Übergang hauptsächlich in einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers ausbreitet, erstreckt sich der pn-Übergang üblicherweise nicht bis an die Randfläche des Halbleiterkörpers. Stattdessen ist der pn-Übergang in einer lateralen Richtung beabstandet zu der Randfläche des Halbleiterkörpers. In diesem Fall muss ein Halbleitergebiet (Randgebiet) des Halbleiterkörpers, das an den pn-Übergang in der lateralen Richtung angrenzt, ebenso der an den pn-Übergang angelegten Spannung standhalten.
Das Randgebiet könnte mit einer planaren Randabschlussstruktur realisiert werden. In diesem Fall ist allerdings die Abmessung des Randgebiets in der lateralen Richtung des Halbleiterkörpers üblicherweise zwischen dem zweifachen und dreifachen der Abmessung (Länge) des Driftgebiets (Basisgebiets) in der vertikalen Richtung. Die Länge des Driftgebiets (Basisgebiets) ist abhängig von der gewünschten Sperrspannungsfestigkeit des Bauelements und kann bis zu 10 Mikrometer (µm) betragen, so dass ein entsprechender Randabschluss sehr platzaufwändig wäre.
Um den Platz zu verringern, der benötigt wird, um der Sperrspannung im Randgebiet standzuhalten, kann ein vertikaler Randabschluss, der auch als Mesa-Randabschluss bezeichnet wird, vorgesehen sein. Ein solcher vertikaler Randabschluss umfasst einen mit einem dielektrischen Material gefüllten Graben. Geeignete dielektrische Materialien, wie beispielsweise BCB-(Benzocyclobuten)-basierte Dielektrika, um nur eines zu nennen, haben eine hohe Spannungsfestigkeit von einigen MV/cm und einen niedrigen Leckstrom. Allerdings nimmt der Leckstrom zu, wenn die elektrische Feldstärke zunimmt. In einen Mesa-Randabschluss kann die elektrische Feldstärke insbesondere an einer Grenzfläche zwischen dem den Graben umgebenden Halbleitermaterial und dem dielektrischen Material hoch sein, so dass in diesen Bereichen erhöhte Leckströme auftreten können.
Die US 2013/0069109 A1 zeigt in 17 ein vertikales Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der in einem Randbereich einen Graben aufweist, der mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Das Dielektrikum umfasst eine Siliziumdioxidschicht an Seitenwänden und einem Boden des Grabens und eine Polyimidschicht, die die Siliziumdioxidschicht überdeckt und den Graben auffüllt. Eine Dielektrizitätszahl der Polyimidschicht liegt zwischen 3,2 und 3,5. Die Dielektrizitätszahl des Siliziumdioxids ist höher als die des Polyimids.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Randabschluss für Halbleiterbauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, die einen Halbleiterkörper mit einer rechteckigen Geometrie aufweisen, zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Aspekt betrifft ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper mit einer ersten Oberfläche, einem Innengebiet und einem Randgebiet. Ein pn-Übergang ist zwischen einem ersten Halbleitergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem zweiten Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet, wobei sich der pn-Übergang im Innengebiet in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers erstreckt. Im Randgebiet erstreckt sich eine Aussparung von der ersten Oberfläche in den Halbleiterkörper und umfasst wenigstens eine Seitenwand. Außerdem füllt ein Dielektrikum die Aussparung, wobei in der lateralen Richtung des Dielektrikums eine relative Dielektrizitätszahl mit zunehmendem Abstand von der ersten Seitenwand von einem zwischen 10 und 30 liegenden Maximum zu einem zwischen 2 und 5 liegenden Minimum abnimmt.
Beispiele werden anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen des Grundprinzips, so dass nur Aspekte, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Randgebiets eines Halbleiterkörpers;
2 zeigt eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements gemäß eines Beispiels;
3 zeigt eine Kurve, die den Betrag eines elektrischen Feldes im Randgebiet eines herkömmlichen Halbleiterbauelements veranschaulicht;
4 zeigt Kurven, die die Dielektrizitätszahl einer Dielektrikumsschicht veranschaulichen, die einen Graben im Randgebiet eines Halbleiterbauelements des in 1 gezeigten Typs füllt;
5 zeigt eine Kurve, die den Betrag eines elektrischen Feldes im Randgebiet eines Halbleiterbauelements des in 1 gezeigten Typs veranschaulicht, wenn die Dielektrikumsschicht zwei Unterschichten umfasst;
6 zeigt eine Kurve, die die Dielektrizitätszahl in einem Halbleiterbauelement veranschaulicht, das ein homogenes elektrisches Feld in dem Graben aufweist;
7 zeigt eine Kurve, die den Betrag eines elektrischen Feldes im Randgebiet eines Halbleiterbauelements des in 1 gezeigten Typs veranschaulicht, wenn externe Ladungen vorhanden sind, die das elektrische Feld beeinflussen;
8 zeigt eine Kurve, die den Betrag eines elektrischen Feldes im Randgebiet eines Halbleiterbauelements des in 1 gezeigten Typs veranschaulicht, wenn die Dielektrikumsschicht drei Unterschichten aufweist;
9 veranschaulicht Äquipotentiallinien in einem Randgebiet eines Halbleiterbauelements des in 1 gezeigten Typs, wenn ein pn-Übergang des Halbleiterbauelements in Rückwärtsrichtung gepolt ist;
10 zeigt ein Randgebiet eines Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Beispiel;
11 zeigt ein Randgebiet eines Halbleiterbauelements gemäß einem weiteren Beispiel;
12 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts eines als Bipolardiode realisierten Halbleiterbauelements;
13 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts eines als MOSFET realisierten Halbleiterbauelements;
14 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts eines als Thyristor realisierten Halbleiterbauelements.

1 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines Teils eines Halbleiterbauelements. Insbesondere zeigt 1 eine vertikale Schnittansicht eines Randgebiets 112 und eines Teils eines Innengebiets eines Halbleiterkörpers (oder einer Halbleiterschicht) 100, das aktive Gebiete des Halbleiterbauelements umfasst. Der Halbleiterkörper 100 umfasst eine erste Oberfläche 101 und eine zweite Oberfläche 102 gegenüber der ersten Oberfläche 101. Die erste Oberfläche 101 und die zweite Oberfläche 102 sind im Wesentlichen parallel. 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht des Halbleiterkörpers 100 in einer Schnittebene, die senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 verläuft. Der Halbleiterkörper kann ein herkömmliches monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Diamant, oder ähnliches umfassen.
Bezug nehmend auf 1 ist das Randgebiet 112 zwischen dem Innengebiet 111 und einer Randfläche 103 angeordnet. Die Randfläche 103 verläuft zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 und schließt das Halbleiterbauelement 100 in einer lateralen Richtung ab, während die ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 das Halbleiterbauelement 100 in einer vertikalen Richtung abschließen. Die „vertikale Richtung“ ist eine Richtung senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102, während die „laterale Richtung“ oder „horizontale Richtung“ senkrecht zu der vertikalen Richtung ist. Gemäß einem Beispiel ist die Randfläche 103 eine vertikale Oberfläche, d. h. eine Oberfläche, die senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 und der zweiten Oberfläche 102 ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren Beispiel (nicht dargestellt) ist die Randfläche 103 abgeschrägt, so dass ein Winkel zwischen der Randfläche 103 und jeder der ersten Oberfläche 101 und der zweiten Oberfläche 102 sich von 90° unterscheidet.
Der Begriff „Oberfläche“ wie er hier verwendet wird, wird für solche Ebenen verwendet, die den Halbleiterkörper 100 abschließen. Insbesondere wird der Begriff „Oberfläche“ auch für solche Oberflächen verwendet, die durch andere Schichten, wie beispielsweise Elektrodenschichten, Passivierungsschichten usw., bedeckt sind, nachdem das Bauelement fertig gestellt wurde. Solche zusätzlichen Schichten sind in 1 allerdings nicht dargestellt.
1 veranschaulicht nur einen Teil eines Querschnitts des Halbleiterbauelements, nämlich des Teils, der das Randgebiet 112 und die Randfläche an einer lateralen Seite des Halbleiterkörpers 100 umfasst, und nur einen Teil des Innengebiets 111. In einer horizontalen Ebene des Halbleiterkörpers 100 ist die Fläche des Innengebiets 111 üblicherweise größer als die Fläche des Randgebiets 112. Grundsätzlich kann es wünschenswert sein, die Fläche des Randgebiets 112 relativ zu der Gesamtfläche des Halbleiterkörpers 100 zu minimieren.
Bezug nehmend auf 1 umfasst das Halbleiterbauelement außerdem einen pn-Übergang 10, der sich in einer lateralen oder horizontalen Ebene in dem Innengebiet 111 des Halbleiterkörpers 100 erstreckt. Der pn-Übergang 10 ist ein Übergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet 11 eines ersten Leitfähigkeitstyps (Dotierungstyps) und einem zweiten Halbleitergebiet 21 eines zweiten Leitfähigkeitstyps (Dotierungstyps). Gemäß einem Beispiel ist das erste Halbleitergebiet 11 ein p-dotiertes Gebiet und das zweite Halbleitergebiet 21 ist ein n-dotiertes Gebiet. Gemäß einem weiteren Beispiel ist das erste Halbleitergebiet 11 ein n-dotiertes Gebiet und das zweite Halbleitergebiet 21 ist ein p-dotiertes Gebiet.
Gemäß einem Beispiel hat der Halbleiterkörper 100 eine Grunddotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps und eine Dotierungskonzentration, die gleich der Dotierungskonzentration des zweiten Halbleitergebiets 21 ist. In diesem Fall bilden solche Gebiete des Halbleiterkörpers, die die Grunddotierung besitzen, das zweite Halbleitergebiet, während die anderen Halbleitergebiete, wie beispielsweise das erste Halbleitergebiet 11, durch Implantieren und/oder Diffundieren von Dotierstoffatomen in den Halbleiterkörper 100 hergestellt werden.
In der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100 (der Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 und der zweiten Oberfläche 102) ist das erste Halbleitergebiet 11 zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem zweiten Halbleitergebiet 21 angeordnet. Bei dem in 1 veranschaulichten Beispiel grenzt das erste Halbleitergebiet 11 an die erste Oberfläche 101. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren (in 1 nicht dargestellten) Beispiel ist das erste Halbleitergebiet 11 in der vertikalen Richtung beabstandet zu der ersten Oberfläche 101 angeordnet.
Gemäß einem Beispiel ist das zweite Halbleitergebiet 21 geringer dotiert als das erste Halbleitergebiet 11. Der Halbleiterkörper 100 besteht beispielsweise aus Silizium, eine Dotierungskonzentration des ersten Halbleitergebiets 11 ist aus einem Bereich zwischen 1E16 cm^-3 (=1 · 10¹⁶ cm^-3) und 1E21 cm^-3 ausgewählt. Das erste Halbleitergebiet kann hergestellt werden durch Diffundieren von Dotierstoffatomen über die erste Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100. In diesem Fall hat das erste Halbleitergebiet eine maximale Dotierungskonzentration in einem an die erste Oberfläche 101 angrenzenden Gebiet, wobei die Dotierungskonzentration in Richtung des pn-Übergangs 11 abnimmt. Die Dotierungskonzentration kann gemäß der Gauß-Kurve abnehmen und die maximale Dotierungskonzentration kann aus einem Bereich zwischen 1E16 cm^-3 und 1E21 cm^-3 ausgewählt sein. Eine Dotierungskonzentration des zweiten Halbleitergebiets 21 ist beispielsweise aus einem Bereich zwischen 1E12 cm^-3 und 5E14 cm^-3, insbesondere zwischen 5E12 cm^-3 und 2E14 cm^-3 ausgewählt. Die Dotierungskonzentration des zweiten Halbleitergebiets 21 kann abhängig von der gewünschten Sperrspannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements gewählt werden, wobei die Dotierungskonzentration abnimmt, wenn die gewünschte Sperrspannungsfestigkeit zunimmt. Die Dotierungskonzentration des zweiten Halbleitergebiets 21 ist beispielsweise 2E14 cm^-3 (was einem spezifischen Widerstand des zweiten Halbleitergebiets 21 von 30 Ω cm entspricht) in einem Halbleiterbauelement mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 600V und 5E12 cm^-3 (was einem spezifischen Widerstand von 750 Ω cm des zweiten Halbleitergebiets entspricht) in einem Halbleiterbauelement mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 7500V (=7,5 kV).
In SiC ist das kritische elektrische Feld, welches das elektrische Feld ist, bei dem ein Lawinendurchbruch auftreten kann, 10-mal höher als in Si. Damit kann die Dicke d2 eines SiC-basierten Halbleiterbauelements so realisiert werden, dass sie nur das 0,1-fache der Dicke des entsprechenden Si-Bauelements ist und die Dotierungskonzentration der einzelnen Bauelementgebiete kann etwas das 100-fache der Dotierungskonzentrationen der einzelnen Bauelementgebiete sein, die oben anhand eines Si-basierten Halbleiterbauelements erläutert wurden.
Bezugnehmend auf 1 umfasst das Halbleiterbauelement außerdem einen Randabschluss in dem Randgebiet 112. Der Randabschluss umfasst wenigstens eine Aussparung 30. Die wenigstens eine Aussparung 30 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 101 in einer vertikalen Richtung in den Halbleiterkörper 100 und umfasst die wenigstens eine Seitenwand. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Aussparung 30 beabstandet zu der Randfläche 103 und umfasst eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand 32. Nachfolgend wird diese Art der Aussparung 30 als Graben bezeichnet. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die erste Seitenwand 31 und die zweite Seitenwand 32 im Wesentlichen parallel, so dass der Graben 30 außerdem einen Boden 33 aufweist, der im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Seitenwand 31 und der zweiten Seitenwand 32 ist.
Das Realisieren des Grabens 30 mit parallelen Seitenwänden 31, 32 ist allerdings nur ein Beispiel. Gemäß einem weiteren (nicht dargestellten) Beispiel sind die erste Seitenwand 31 und die zweite Seitenwand 32 abgeschrägt, so dass sich der Graben 30 in einer Richtung, die von der ersten Oberfläche 101 weg zeigt, verjüngt. Ein solcher Graben mit abgeschrägten Seitenwänden kann einen Boden 33 oder keinen Boden besitzen. Im zuletzt genannten Fall laufen die erste Seitenwand 31 und die zweite Seitenwand 32 an einer Position zusammen, die zu der ersten Oberfläche 101 beabstandet ist, so dass der Graben 30 ein V-förmiger Graben ist.
Nachfolgend wird ein Gebiet des Halbleiterkörpers 100, das zwischen der Randfläche 103 und dem Graben 30 angeordnet ist, als Mesagebiet 121 bezeichnet. Die erste Seitenwand 31 des Grabens 30 ist die Seitenwand, die in Richtung des Innengebiets 111 liegt, und die zweite Seitenwand 32 des Grabens 30 ist die Seitenwand, die an das Mesagebiet 121 angrenzt.
Gemäß einem Beispiel erstrecken sich sowohl das erste Halbleitergebiet 11 als auch das zweite Halbleitergebiet 21 in der lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 bis an die erste Seitenwand 31 des Grabens, so dass sich der pn-Übergang bis an die erste Seitenwand 31 erstreckt. Gemäß einem weiteren Beispiel, das in 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist, ist ein drittes Halbleitergebiet 12 des ersten Leitfähigkeitstyps, das geringer als das erste Halbleitergebiet 11 dotiert ist, zwischen dem zweiten Halbleitergebiet 21 und dem Graben 30 angeordnet. Dieses dritte Halbleitergebiet 12 kann einen ersten Abschnitt 12₁, der an die erste Seitenwand 31 angrenzt, einen zweiten Abschnitt 12₂, der an die zweite Seitenwand 32 angrenzt, und einen dritten Abschnitt 12₃, der an den Boden 33 angrenzt, aufweisen. Gemäß einem Beispiel hat der dritte Abschnitt 12₃ eine höhere Dotierstoffdosis als der erste Abschnitt 12₁ und der zweite Abschnitt 12₂. Die „Dotierstoffdosis“ eines dieser ersten, zweiten und dritten Gebiete 12₁, 12₂, 12₃ ist das Integral der Dotierungskonzentration in einer Richtung senkrecht zu der ersten Seitenwand 31, der zweiten Seitenwand 32 bzw. dem Boden 33. Die Dotierstoffdosis des dritten Halbleitergebiets 12₃ ist beispielsweise so gewählt, dass sie unterhalb der Durchbruchsladung liegt, die bei Silizium etwa 1,4E12 q/cm² ist, wobei q die Elementarladung ist. Gemäß einem Beispiel ist der zweite Abschnitt 12₂ optional und kann weggelassen werden. Wenn der Graben 30 V-förmig ist, gibt es keinen dritten Abschnitt 12₃. In diesem Fall übernimmt der erste Abschnitt 12₁ die Funktion des dritten Abschnitts 12₃.
Das zweite Halbleitergebiet 21 kann sich in der lateralen Richtung des Halbleiterkörpers in das Randgebiet 112 erstrecken und den Graben 30 umgeben. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel werden große Teile des Mesagebiets 121 durch das zweite Halbleitergebiet 21 gebildet. Gemäß einem Beispiel umfasst das Halbleiterbauelement ein Kanalstoppgebiet 22 des zweiten Leitfähigkeitstyps im Mesagebiet 121. Das Kanalstoppgebiet 22 erstreckt sich beispielsweise in der lateralen Richtung von der zweiten Seitenwand 32 des Grabens 30 bis an die Randfläche 103 und ist höher dotiert als das zweite Halbleitergebiet 21. Eine Tiefe des Kanalstoppgebiets 22 ist beispielsweise aus einem Bereich zwischen 5 µm und 10 µm gewählt. Die „Tiefe“ ist die Abmessung in der vertikalen Richtung. Gemäß einem Beispiel ist eine Dotierstoffdosis des Kanalstoppers 22, die das Integral der Dotierungskonzentration in einer Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 ist, höher als die oben erläuterte Durchbruchsladung. Gemäß einem Beispiel besteht der Halbleiterkörper 100 aus Silizium und die Dotierstoffdosis ist höher als 2E12 cm^-3.
Der wenigstens eine Graben 30 erstreckt sich nicht vollständig durch den Halbleiterkörper 100 in der vertikalen Richtung und erstreckt sich nicht vollständig durch das zweite Halbleitergebiet 21. Gemäß einem Beispiel ist eine maximale Tiefe d1 des Grabens 30 geringer als 80%, insbesondere geringer als 66% oder geringer als 50% einer Dicke d2 des Halbleiterkörpers 100 in der vertikalen Richtung. Die maximale Tiefe des Grabens ist beispielsweise größer als 30% der Dicke d2 des Halbleiterkörpers 100.
Gemäß einem weiteren Beispiel ist eine maximale Tiefe d1 des Grabens 30 geringer als 80%, insbesondere geringer als 66% oder geringer als 50% einer Dicke des zweiten Halbleitergebiets 21 in der vertikalen Richtung. Die maximale Tiefe des Grabens ist beispielsweise größer als 30% der Dicke des zweiten Halbleitergebiets 21. Die zweite Alternative gilt insbesondere für solche Fälle, bei denen der Halbleiterkörper 100 außer einer Halbleiterschicht, in der die ersten und zweiten Halbleitergebiete 11, 21 gebildet sind, ein (nicht gezeigtes) Halbleitersubstrat umfasst, auf dem diese Halbleiterschicht angeordnet ist und das wesentlich dicker ist als diese Halbleiterschicht. Eine solche Halbleiterschicht ist beispielsweise eine Epitaxieschicht.
Die Dotierungskonzentration des zweiten Halbleitergebiets 21 kann wesentlich geringer sein als die Dotierungskonzentration des ersten Halbleitergebiets 11. Wenn der pn-Übergang 10 durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ersten Halbleitergebiet 11 und dem zweiten Halbleitergebiet 21 in Rückwärtsrichtung gepolt wird, breitet sich ein Raumladungsgebiet (Verarmungsgebiet) hauptsächlich in dem zweiten Halbleitergebiet 21 aus. Um das mit diesem Verarmungsgebiet zusammenhängende elektrische Feld zu „stoppen“ umfasst das Halbleiterbauelement optional ein Feldstoppgebiet 23 des zweiten Leitfähigkeitstyps. Das Feldstoppgebiet 23 grenzt an das zweite Halbleitergebiet 31 an der Seite an, die von dem ersten Halbleitergebiet 11 weg zeigt. Das Feldstoppgebiet 23 hat eine höhere Dotierungskonzentration als das zweite Halbleitergebiet. Die Dotierungskonzentration des Feldstoppgebiets 23 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1E14 cm^-3 und 1E16 cm^-3. Eine Dicke (vertikale Abmessung) des Feldstoppgebiets ist beispielsweise im Bereich zwischen 10 Mikrometern (µm) und 20 Mikrometern und kann bis zu 50 Mikrometer sein.
2 veranschaulicht schematisch eine Draufsicht auf die erste Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers. Bei diesem Beispiel ist der Halbleiterkörper 100 rechteckig, insbesondere quadratisch in seiner Form. Der wenigstens eine Graben 30 kann sich entlang der gesamten Randfläche 103 erstrecken, so dass der wenigstens eine Graben 31 das Innengebiet vollständig umgibt. Ein rechteckiger Halbleiterkörper 100 ist allerdings nur ein Beispiel. Ein Halbleiterkörper mit einer beliebigen anderen Form, wie beispielsweise einer kreisförmigen Form oder einer polygonalen Form kann ebenso verwendet werden. Der in 1 veranschaulichte Querschnitt ist ein Querschnitt in einer in 2 gezeigten Schnittebene A-A. Diese Schnittebene A-A ist senkrecht zu einer Längsrichtung des Grabens 31.
Der Graben 30 und das Mesagebiet 121 zwischen dem Graben 30 und der Randfläche 103 bilden einen Randabschluss des Halbleiterbauelements. Dieser Randabschluss hilft in platzsparender Weise, die elektrische Feldstärke im Randgebiet 112 des Halbleiterkörpers 100 unterhalb eines vordefinierten Wertes zu halten, wenn der pn-Übergang in Rückwärtsrichtung gepolt ist und sich ein Verarmungsgebiet in dem zweiten Halbleitergebiet 21 ausbreitet. Der pn-Übergang kann durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen dem ersten Halbleitergebiet 11 und dem zweiten Halbleitergebiet 21 in Rückwärtsrichtung gepolt werden. Diese Spannung, die den pn-Übergang in Rückwärtsrichtung polt, ist derart, dass das erste Halbleitergebiet 11 relativ zu dem elektrischen Potential des zweiten Halbleitergebiets 21 negativ ist, wenn das erste Halbleitergebiet 11 p-dotiert ist und das zweite Halbleitergebiet 21 n-dotiert ist, und derart, dass das erste Halbleitergebiet 11 relativ zu dem zweiten Halbleitergebiet positiv ist, wenn das erste Halbleitergebiet 11 n-dotiert ist und das zweite Halbleitergebiet 21 p-dotiert ist. Das elektrische Potential des Mesagebiets 121 entspricht im Wesentlichen dem elektrischen Potential, das an dem zweiten Halbleitergebiet 21 anliegt, wenn der pn-Übergang in Rückwärtsrichtung gepolt wird.
Wenn der pn-Übergang 10 in Rückwärtsrichtung gepolt wird, verlaufen Äquipotentiallinien eines mit dem Verarmungsgebiet zusammenhängenden elektrischen Feldes im Innengebiet 111 des Halbleiterkörpers Wesentlichen horizontal. Diese Äquipotentiallinien treten in den Graben 30 ein und verlassen den Graben 30 an der ersten Oberfläche. Dies ist anhand eines in 8 gezeigten Beispiels unten weiter im Detail erläutert. In dem elektrischen Feld erreicht ein Absolutwert der elektrischen Feldstärke ein Maximum in dem Graben 30, der mit einem Dielektrikum 40 gefüllt ist.
3 veranschaulicht den Absolutwert der elektrischen Feldstärke, die in dem Graben 30 auftritt, wenn der Graben mit einem homogenen Dielektrikum 40 gefüllt ist. „Homogen“ bedeutet, dass eine relative Zahl ε des Dielektrikums überall in dem Dielektrikum 40 im Wesentlichen gleich ist. Die „relative Dielektrizitätszahl“ ist nachfolgend einfach als „Dielektrizitätszahl“ bezeichnet. Wie anhand von 3 ersichtlich ist, hat der Absolutwert |E| der elektrischen Feldstärke in dem Graben 30 ein erstes Maximum an einer ersten lateralen Position x1, welches die Position der ersten Seitenwand 31 ist, und ein zweites Maximum an einer zweiten lateralen Position, welches die Position der zweiten Seitenwand 32 ist. Die Absolutwerte des ersten Maximums und des zweiten Maximums sind in diesem Beispiel im Wesentlichen gleich. Diese Absolutwerte sind abhängig von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise dem Absolutwert der Spannung, die den pn-Übergang 10 in Rückwärtsrichtung polt, der Dielektrizitätszahl des Dielektrikums 40, der Tiefe und einer Breite des Grabens 30. Die „Breite“ des Grabens 30 ist die Abmessung des Grabens in der in 1 gezeigten lateralen Richtung x.
In einem Halbleiterbauelement mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 1 Kilovolt (kV), oder mehr, kann der Absolutwert der elektrischen Feldstärke 1 MV/cm, oder mehr erreichen. Kommerziell erhältliche Dielektrika, wie beispielsweise Dielektrika, die Benzocyclobuten (BCB) enthalten, haben Spannungsfestigkeiten von einigen MV/cm. Das BCB-haltige „Cyclotene ™ 3000“, das von Dow Chemicals erhältlich ist, hat eine Feldstärke von 5,3 MV/cm und einen Leckstrom von 0,68 nA/cm² bei 1 MV/cm. Allerdings nimmt der Leckstrom bei diesen Arten von Dielektrika zu, wenn der Absolutwert der elektrischen Feldstärke zunimmt. Es kann daher wünschenswert sein, diese Dielektrika bei elektrischen Feldstärken weit unterhalb ihrer Spannungsfestigkeiten zu betreiben.
Um den maximalen Absolutwert des elektrischen Feldes zu reduzieren, der in dem Graben 30 der in 1 gezeigten Randabschlussstruktur auftritt, hat das Dielektrikum 40, das den Graben auffüllt, eine variierende Dielektrizitätszahl derart, dass die Dielektrizitätszahl in der lateralen Richtung mit zunehmendem Abstand von der ersten Seitenwand 31 abnimmt. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel, bei dem die Aussparung (Graben) 30 zwei gegenüberliegende Seitenwände 31, 32 aufweist, nimmt die Dielektrizitätszahl in der lateralen Richtung x in Richtung einer Mitte des Grabens 30 mit zunehmendem Abstand von der ersten Seitenwand 31 und der zweiten Seitenwand 32 ab. Die „Mitte“ der Aussparung 30 in der lateralen Richtung x ist die Mitte zwischen der ersten Seitenwand 31 und der zweiten Seitenwand 32.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird eine Abnahme der Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum 40 dadurch erhalten, dass das Dielektrikum 40 eine erste Dielektrikumsschicht 41 mit einer ersten Dielektrizitätszahl ε1 und eine zweite Dielektrikumsschicht 42 mit einer zweiten Dielektrizitätszahl ε2, die geringer als die erste Dielektrizitätszahl ε1 ist, aufweist. Bei diesem Beispiel überdeckt die erste Dielektrikumsschicht 41 die erste Seitenwand 31, die zweite Seitenwand 32 und den Boden 33. Die zweite Dielektrikumsschicht 42 grenzt an die erste Dielektrikumsschicht 41 an und füllt den Graben 30. Optional überdeckt die zweite Dielektrikumsschicht 42 solche Abschnitte der ersten Oberfläche 101, die an die Aussparung 30 angrenzen. Außerdem kann die zweite Dielektrikumsschicht 42 die Randfläche 103 überdecken. Die Abschnitte der ersten Oberfläche 101 und die Randfläche 103 überdeckende Dielektrikumsschicht 42 ist in 1 in gestrichelten Linien dargestellt.
In 4 veranschaulicht die Kurve I die Dielektrizitätszahl der Dielektrikumsschicht 40 entlang einer Linie, die sich in der lateralen Richtung x erstreckt und durch die erste Dielektrikumsschicht 41 und die zweite Dielektrikumsschicht 42 in einen Bereich geht, in dem die zweite Schicht 42 in der lateralen Richtung x an die erste Schicht 41 angrenzt. In 4 bezeichnet x2 die Position einer ersten Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumsschicht 41 und der zweiten Dielektrikumsschicht 42 und x3 bezeichnet die Position einer zweiten Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumsschicht 41 und der zweiten Dielektrikumsschicht 42. Wie ersichtlich ist, ist die erste Dielektrizitätszahl ε1 größer als die zweite Dielektrizitätszahl ε2. Beispielsweise ist die erste Dielektrizitätszahl ε1 aus einem Bereich zwischen 10 und 30 ausgewählt und die zweite Dielektrizitätszahl ε2 ist aus einem Bereich zwischen 1 und 5 ausgewählt.
5 veranschaulicht den Absolutwert der elektrischen Feldstärke, die in dem Graben 30 auftritt, wenn das Dielektrikum 40 wie in 1 bzw. Kurve I von 4 gezeigt realisiert ist. Bezugnehmend auf 5 hat der Absolutwert der elektrischen Feldstärke vier Maxima. Ein erstes Maximum ist an der ersten Seitenwand (laterale Position x1) an einer Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der ersten Dielektrikumsschicht 41. Ein zweites Maximum ist an der zweiten Seitenwand (laterale Position x4) an einer weiteren Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der ersten Dielektrikumsschicht 41. Ein drittes Maximum ist an einer Position x2 an einer Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumsschicht 41 und der zweiten Dielektrikumsschicht 42 und ein viertes Maximum ist an einer Position x3 an einer weiteren Grenzfläche zwischen der ersten Dielektrikumsschicht 41 und der zweiten Dielektrikumsschicht 42. Höhen des ersten Maximums und des zweiten Maximums sind im Wesentlichen gleich. Jedes dieser ersten bis vierten Maxima ist geringer als die Maxima, die in einem vergleichbaren Bauelement beobachtet werden, das sich nur darin unterscheidet, dass der Graben 30 mit einem homogenen Dielektrikum 40 anstelle eines Dielektrikums mit lateral abnehmender Dielektrizitätszahl gefüllt ist.
Der Vorteil des Vorhandenseins einer Randabschlussstruktur, wie sie in 1 gezeigt ist, im Vergleich zu einer herkömmlichen Randabschlussstruktur mit einem homogenen Dielektrikum wird anhand von zwei beispielhaften Halbleiterbauelementen ersichtlich, die sich nur in der Randabschlussstruktur unterscheiden. Beispielbauelement A umfasst eine herkömmliche Randabschlussstruktur mit einem homogenen Dielektrikum, so dass der Absolutwert der elektrischen Feldstärke durch die in 3 gezeigte Kurve repräsentiert ist, und Beispielbauelement B umfasst eine Randabschlussstruktur mit zwei Schichten 41, 42, wie in 1 dargestellt, so dass der Absolutwert der elektrischen Feldstärke durch die in 5 gezeigte Kurve repräsentiert ist.
Bei beiden Beispielbauelementen A und B sind die Bauelementparameter wie folgt: Das zweite Bauelementgebiet 21 ist n-dotiert und hat einen spezifischen Widerstand von 53 Ω cm, was im Wesentlichen einer Dotierungskonzentration von 8,1E13 cm^-3 entspricht; eine Dicke d1 des Halbleiterkörpers 100 ist 125 Mikrometer (µm); das erste Halbleitergebiet 1 ist p-dotiert, hat eine maximale Dotierungskonzentration von 1E17 cm^-3 (an der ersten Oberfläche 101) und erstreckt sich 6 Mikrometer in den Halbleiterkörper 100. Das Kanalstoppgebiet 22 ist n-dotiert, hat eine maximale Dotierungskonzentration von 1E18 cm^-3 und erstreckt sich 6 Mikrometer in den Halbleiterkörper 100; das Feldstoppgebiet 23 ist n-dotiert, hat eine maximale Dotierungskonzentration von 1,3E14 cm^-3 und ist in der vertikalen Richtung 10 Mikrometer breit; ein an das Feldstoppgebiet 23 angrenzendes (in 1 nicht gezeigtes) Emittergebiet ist n-dotiert, hat eine maximale Dotierungskonzentration von 3,5E15 cm^-3 und ist in der vertikalen Richtung 2 Mikrometer breit; der erste Abschnitt 12₁ und der zweite Abschnitt 12₂ des (p-dotierten) dritten Halbleitergebiets 12 haben jeweils eine Dotierstoffdosis von 6E11 cm^-2, und der dritte Abschnitt 12₃ hat eine Dotierstoffdosis von 1,4E12 cm^-2; und die Aussparung 30 umgibt das Innengebiet 111 vollständig, ist in der lateralen Richtung x 60 Mikrometer breit und ist 70 Mikrometer tief.
Bei dem Beispielbauelement A ist die Dielektrizitätszahl des homogenen Dielektrikums 2,7. Dieses Bauelement hat eine Nennspannung von 1200V und eine Sperrspannungsfestigkeit von 1832V.Wenn eine Spannung gleich der Sperrspannungsfestigkeit an dem pn-Übergang angelegt wird, ist der maximale Absolutwert der elektrischen Feldstärke in dem Dielektrikum 0,7MV/cm. Dies entspricht dem in 3 gezeigten Maximum MAX.
Bei dem Beispielbauelement B ist die erste Dielektrizitätszahl ε1=15, die zweite Dielektrizitätszahl ε2=2,7 und eine Dicke der ersten Dielektrikumsschicht 41, welches die Abmessung vertikal zu den ersten und zweiten Seitenwänden 31, 32 ist, ist 10 Mikrometer. Die Nennspannung ist 1200V und die Sperrspannungsfestigkeit ist 1820V, was ein wenig (etwa 0,7%) geringer ist als die Sperrspannungsfestigkeit des Beispielbauelements A. Ein maximaler Absolutwert der elektrischen Feldstärke in dem Dielektrikum 40 ist allerdings 0,5MV/cm, was wesentlich (28,6%) geringer ist als bei dem Beispielbauelement A. Das Realisieren des Dielektrikums derart, dass es in der lateralen Richtung x eine abnehmende Dielektrizitätszahl besitzt, hilft also, den Absolutwert der elektrischen Feldstärke in dem Dielektrikum 40 im Vergleich zu einem Bauelement mit einem homogenen Dielektrikum zu reduzieren.
Simulationen zeigen, dass bei dem herkömmlichen Bauelement der maximale Absolutwert der elektrischen Feldstärke in dem Dielektrikum 40 an der ersten Seitenwand 31 und der zweiten Seitenwand 32, wenn eine vorhanden ist, und im Bereich der ersten Oberfläche 101 auftritt. Das Realisieren des Dielektrikums 40 mit einer variierenden Dielektrizitätszahl insbesondere im Bereich entlang der ersten Oberfläche 101 hilft, das elektrische Feld in diesem Bereich homogener zu machen und hilft damit das Maximum der elektrischen Feldstärke zu reduzieren. Das Auswählen der Anzahl der Dielektrikumsschichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen und das Auswählen der Dielektrizitätszahlen der jeweiligen Schichten kann auf den nachfolgend erläuterten Überlegungen basieren.
Bezugnehmend auf 3 hat in einem Graben mit einem homogenen Dielektrikum 40 der Absolutwert des elektrischen Feldes Maxima an den Grabenseitenwänden (an Positionen x1 und x4) und nimmt in Richtung einer Mitte des Grabens ab. Damit unterscheidet sich ein Gradient des elektrischen Feldes von Null, während ein Gradient der konstanten Dielektrizitätszahl Null ist. Wenn andererseits die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums 40 in der lateralen Richtung x so variiert würde, dass sie einen Gradient besitzt, der dem Gradient des elektrischen Feldes in einem Bauelement mit homogenem Dielektrikum entspricht, wäre das resultierende elektrische Feld im Wesentlichen konstant, d. h., der Gradient wäre Null. Mathematisch kann diese Beziehung wie folgt ausgedrückt werden $E_{x} \cdot \frac{\partial ε (x)}{\partial x} = - ε \cdot \frac{\partial E_{x} (x)}{\partial x}$
wobei ε(x) die variierende Dielektrizitätszahl, ∂ε(x)/ ∂x den Gradienten dieser Dielektrizitätszahl bezeichnet und E_x die (konstante) Feldkomponente des elektrischen Feldes in der lateralen Richtung x bezeichnet, ε die Dielektrizitätszahl des homogenen Dielektrikums bezeichnet und ∂E_x(x)/ ∂x den Gradient der variierenden lateralen Feldkomponente des elektrischen Felds bezeichnet. Das elektrische Feld $\vec{E}$
ist gegeben durch $\underline{\vec{E}} = (\begin{matrix} E_{x} \\ E_{y} \\ E_{z} \end{matrix})$
wobei E_x die Feldkomponente in der lateralen Richtung, E_y die Feldkomponente in der vertikalen Richtung y (vgl. 1) senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 ist und E_z die Feldkomponente in einer weiteren lateralen Richtung senkrecht zu der lateralen Richtung x und y ist. Ein Absolutwert |E| des elektrischen Feldes $\vec{E}$
ist dann gegeben durch $| E | = \sqrt{E_{x}^{2} + E_{y}^{2} + E_{z}^{2}}$
Gleichung (1) basiert auf der allgemeineren Gleichung $d i v \vec{ε} \cdot \vec{E} = 0$
wobei $\vec{ε}$
der Tensor ist, der die Dielektrizitätszahl (die in der x-Richtung variiert und in der y-Richtung konstant ist) repräsentiert und $\vec{E}$
das elektrische Feld (genauer, der Vektor der elektrischen Feldstärke) ist. Die Annahme, dass Gradienten $\frac{\partial E_{y}}{\partial y}$
und $\frac{\partial E_{z}}{\partial z}$
der vertikalen Feldkomponente E_y und der lateralen Feldkomponente E_z des elektrischen Feldes Null sind, um das homogene elektrische Feld in dem Dielektrikum 40 zu erreichen, führt zu Gleichung (1).
Das obige zusammenfassend kann basierend auf der Variation der elektrischen Feldkomponente E_x(x) in einem Bauelement mit homogenem Dielektrikum eine Variation der Dielektrizitätszahl ε(x) in einem gewünschten Bauelement mit homogenen elektrischen Feld E_x erhalten werden. Während Gleichung (1) dazu verwendet werden kann, eine gewünschte Variation zu berechnen, d. h., den Gradienten ∂ε(x)/ ∂x der Dielektrizitätszahl ε(x), wird der Absolutwert der Dielektrizitätszahl ε(x) unter Berücksichtigung bestimmter Einschränkungen berechnet.
Gemäß einem Beispiel ist eine erste Einschränkung, dass der Absolutwert des elektrischen Feldes in dem Halbleiterkörper 100 das kritische elektrische Feld E_BR nicht übersteigen sollte. In Silizium ist das kritische elektrische Feld beispielsweise 2E5 V/cm. Eine zweite Einschränkung kann sein, dass in dem Halbleiterkörper 100 in einem an die erste Seitenwand 31 und die erste Oberfläche 101 angrenzendem Gebiet die laterale Feldkomponente E_x und die vertikale Feldkomponente im Wesentlichen gleich sind, d. h., E_x,_SE=E_y,_SE, wobei E_x,_SE die laterale Feldkomponente des elektrischen Feldes und E_y,_SE die vertikale Feldkomponente des elektrischen Feldes in dem Halbleiterkörper ist. Zum Zweck der Erläuterung sei weiter angenommen, dass das erste Halbleitergebiet 11 und der Graben 30 in der lateralen Richtung z, welches die Richtung senkrecht zu der lateralen Richtung y ist, langgestreckt sind, so dass die laterale Feldkomponente E_z in dem Halbleiterkörper 100 und dem Graben Null ist. Basierend auf der ersten Einschränkung, der zweiten Einschränkung und dieser Annahme gilt Folgendes: $| E (x 1) | < E_{B R} \Rightarrow \sqrt{E_{x, S E}^{2} (x 1) + E_{y, S E}^{2} (x 1)} < E_{B R} \Rightarrow E_{x, S E} < \frac{E_{B R}}{\sqrt{2}}$
wobei |E(x1)| den Absolutwert des elektrischen Feldes in dem Halbleiterkörper 100 an der ersten Seitenwand (welche an der lateralen Position x1 ist) bezeichnet, E_x,_SE(X1) und E_y,_SE(x1) die lateralen und horizontalen Feldkomponenten an der ersten Seitenwand 31 bezeichnen und E_BR die kritische elektrische Feldstärke bezeichnet.
Die maximale elektrische Feldstärke, wenn das Halbleiterbauelement in Rückwärtsrichtung gepolt ist, tritt an dem pn-Übergang 10 zwischen dem ersten Halbleitergebiet 11 und dem zweiten Halbleitergebiet 21 auf. Dieser pn-Übergang 10 erstreckt sich im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene, die parallel zu der ersten Oberfläche 101 ist. Der pn-Übergang 10 kann an den Graben angrenzen. In diesem Fall gibt es eine Position an der ersten Seitenwand 31, an der das maximale elektrische Feld auftritt. Wenn das Halbleiterbauelement das anhand von 1 erläuterte dotierte Gebiet 12 aufweist, ist der pn-Übergang 10 zwischen dem ersten Gebiet 11 und dem zweiten Gebiet 21 durch den ersten Abschnitt 12₁ des dotierten Gebiets beabstandet zu der ersten Seitenwand 31. Das Gebiet 12₁, welches höher dotiert ist als das zweite Gebiet 21, hat den Effekt, dass die maximale elektrische Feldstärke an der ersten Seitenwand 31 geringer ist als die maximale elektrische Feldstärke an dem pn-Übergang 10. Dies ist unten anhand von 9 weiter im Detail erläutert.
Eine dritte Einschränkung basiert auf der Tatsache, dass an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 100 und dem Dielektrikum 40 folgendes gilt (da die Normalkomponente des dielektrischen Verschiebefelds kontinuierlich ist): $ε_{S E \cdot} E_{x, S E} = ε (x 1) \cdot E_{x} (x 1)$
$E_{y,SE} = E_{y} (x1)$
wobei ε_SE die Dielektrizitätszahl des Halbleiterkörpers 100 ist; E_x,_SE der Absolutwert der lateralen Komponente E_x ist und E_y,_SE der Absolutwert der vertikalen Komponente des elektrischen Feldes in dem Halbleiterkörper 100 an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 100 und dem Dielektrikum 40, d. h., an der ersten Seitenwand 31 und der zweiten Seitenwand, wenn eine vorhanden, ist; und ε(x1) die Dielektrizitätszahl des Dielektrikums 40 an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der Aussparung 30 ist. E_x,_SE repräsentiert insbesondere die elektrische Feldstärke an der Grenzfläche an einer Position nahe der ersten Oberfläche 101, wobei das Maximum des elektrischen Felds entlang des Grabens 30 auftritt. Wenn das elektrische Feld in dem Dielektrikum 40 wie gewünscht homogen ist, gilt Folgendes: $E_{x} = \frac{U}{w}$
wobei U die maximale Spannung über der Aussparung 30 in der lateralen Richtung x bezeichnet und w die Breite der Aussparung, welches die Abmessung der Aussparung in der lateralen Richtung x ist, bezeichnet. Wenn das Halbleiterbauelement in Rückwärtsrichtung gepolt ist, hat das erste Halbleitergebiet 11 ein erstes elektrisches Potential und ein Emittergebiet (in 1 nicht dargestellt), das an das zweite Emittergebiet 21 oder das Feldstoppgebiet 23 angrenzt, hat ein zweites elektrisches Potential, das sich von dem ersten elektrischen Potential unterscheidet. Der Unterschied zwischen diesen elektrischen Potentialen ist die Spannung, die den pn-Übergang (des Halbleiterbauelements) in Sperrrichtung polt. Im in Sperrrichtung gepolten Zustand ist das elektrische Potential in dem Mesagebiet 121 oder dem Kanalstoppgebiet 22 im Wesentlichen gleich dem zweiten elektrischen Potential, so dass die Spannung U über dem Dielektrikum 40 in einem Bereich nahe der ersten Oberfläche 101 im Wesentlichen gleich der Spannung ist, die das Halbleiterbauelement in Rückwärtsrichtung polt.
Basierend auf den Gleichungen (5)-(7) kann die Dielektrizitätszahl ε(x1) des Dielektrikums 40 an der ersten Seitenwand berechnet werden. Es sei erwähnt, dass die Dielektrizitätszahl, die anhand dieser Gleichungen ermittelt wird, das Minimum der Dielektrizitätszahl ist, das an der ersten Seitenwand 31 benötigt wird. Diese minimale Dielektrizitätszahl wird nachfolgend als ε min bezeichnet. Wenn beispielsweise ein Halbleiterbauelement mit einem reduzierten (homogeneren) elektrischen Feld basierend auf dem Beispielbauelement A entwickelt werden soll, kann die minimale Dielektrizitätszahl ε min basierend auf den Gleichungen (6) und (7) berechnet werden durch Berücksichtigen, dass die Sperrspannungsfestigkeit des Beispielbauelements A 1832V ist und die Aussparungsbreite 60 Mikrometer ist. Damit ist im Fall eines homogenen elektrischen Felds in dem Dielektrikum die laterale Feldkomponente E_x in dem Dielektrikum basierend auf Gleichung (7) E_x=3,0E5 V/cm (=1832V/60µm). Unter Verwendung von E_x und der Dielektrizitätszahl ε_SE des Halbleitermaterials (welche in Silizium 11,9 ist) ist die minimale Dielektrizitätszahl ε_min, die an der ersten Seitenwand benötigt wird, 5,5.
Gemäß einer weiteren Einschränkung ist die durchschnittliche Dielektrizitätszahl ε(x) in der lateralen Richtung x höher als die minimale Dielektrizitätszahl ε_min, d. h., $\frac{1}{d} \cdot \int_{x 1}^{x 4} ε (x) d x \geq ε_{m i n}$
Basierend auf diesen Einschränkungen und basierend auf der Variation des elektrischen Feldes in einem Bauelement mit einem homogenen Dielektrikum, wie beispielsweise dem Beispielbauelement A, kann eine Variation der Dielektrizitätszahl derart berechnet werden, dass das elektrische Feld im Wesentlichen homogen ist. 6 zeigt die berechnete Dielektrizitätszahl ε(x) in einem Halbleiterbauelement, das auf dem Beispielbauelement A basiert, aber ein variierendes Dielektrikum besitzt, um ein homogenes elektrisches Feld in dem Dielektrikum 40 zu erhalten. Bei diesem Beispiel ist die Dielektrizitätszahl ε(x) an der ersten Seitenwand x1 (und ε(x4) an der zweiten Seitenwand) etwa 12,3 und ein Gradient ∂ε(x)/ ∂x an der ersten Seitenwand ist etwa -2,7 µm^-1.
Nachfolgend wird ein Dielektrikum mit einer variierenden Dielektrizitätszahl, das zu einem homogenen elektrischen Feld führt, als ideales Dielektrikum bezeichnet. Da es schwierig ist, das ideale Dielektrikum zu realisieren, d.h., das Dielektrikum 40 gemäß einer Kurve des in 6 gezeigten Typs zu realisieren, kann das Dielektrikum 40 mit zwei oder mehr im Wesentlichen homogenen Schichten (wie beispielsweise den in 1 gezeigten Schichten 41, 42) realisiert werden, das ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl, wie sie in 6 gezeigt ist, annähert. In diesem Fall ist, wie in 5 gezeigt ist, das elektrische Feld im Dielektrikum 40 nicht exakt homogen, aber die Maxima der elektrischen Feldstärke sind im Vergleich zu einem Bauelement mit einem homogenen Dielektrikum wesentlich reduziert. Bei Annähern des idealen Dielektrikums durch Bereitstellen von zwei oder mehr Dielektrikumsschichten in dem Dielektrikum 40 gelten dieselben Einschränkungen wie oben erläutert, d. h., insbesondere die durchschnittliche Dielektrizitätszahl sollte gleich der oder höher als die minimale Dielektrizitätszahl ε_min sein.
Geeignete Materialien, um das Dielektrikum 40 zu bilden, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: BCB; BCB mit BaTiO₂ als Zusatz; hochdielektrische Gläser (engl.: high-k glasses) wie beispielsweise Barium-Neodymium-Titan-Boratglas, welche Al₂O₃ und/oder BaTiO₃ als Zusätze enthalten können; hochdielektrische Polymere (engl.: high-k polymers); PVD - (Plasma Vapor Deposited) -, PEVD - (Plasma Enhanced Vapor Deposited) - oder epitaktisch abgeschiedene hochdielektrische Schichten, oder ähnliche. Bei diesen Arten von Dielektrika kann die Dielektrizitätszahl beispielsweise durch Variieren der Menge der Additive variiert werden.
Selbstverständlich ist das Dielektrikum 40 nicht darauf beschränkt, nur zwei Schichten 41, 42 mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen zu umfassen. Grundsätzlich kann das Dielektrikum 40 eine beliebige Vielzahl von Schichten aufweisen, die so angeordnet sind, dass die Dielektrizitätszahl mit zunehmendem Abstand von der ersten Seitenwand 31 zunimmt. Die in 4 gezeigte Kurve II veranschaulicht ein Beispiel, bei dem das Dielektrikum 40 drei Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen umfasst. Es ist sogar möglich, das Dielektrikum 40 so zu realisieren, dass die Dielektrizitätszahl in einer Schicht mit zunehmendem Abstand zu der ersten Seitenwand 31 im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt. Die in 4 gezeigte Kurve III veranschaulicht ein Beispiel, bei dem das Dielektrikum eine erste Schicht mit einer kontinuierlich abnehmenden Dielektrizitätszahl und eine zweite Schicht mit einer im Wesentlichen homogenen Dielektrizitätszahl in der Mitte der Aussparung 30 aufweist.
Aufgrund parasitärer Effekte können Ladungen in dem Dielektrikum oder einer Passivierungsschicht oberhalb des Grabens 30 enthalten sein. In 7 zeigt Kurve 701 das elektrische Feld im Beispielbauelement A und Kurve 702 zeigt das elektrische Feld im Beispielbauelement B, wenn solche zusätzlichen Ladungen in dem Dielektrikum oder der Passivierungsschicht vorhanden sind. Lediglich zum Zweck der Erläuterung basieren diese Kurven 701, 702 auf einer Simulation, die eine Oberflächenladung von +8E11 q/cm², wobei q die Elementarladung ist, in einem Abstand von 10 Mikrometern von der ersten Oberfläche 101 und oberhalb des Grabens 30 simulierte. Wie anhand von 7 ersichtlich ist, erhöhen diese Ladungen die elektrische Feldstärke im Bereich der ersten Seitenwand 31 und verringern die elektrische Feldstärke im Bereich der zweiten Seitenwand 32 bei beiden Bauelementen, wobei die Maxima in dem Bauelement mit den zwei unterschiedlichen Dielektrikumsschichten (vgl. Kurve 702) geringer sind als in dem Bauelement mit dem homogenen Dielektrikum (vgl. Kurve 701). Damit ist das Vorhandensein von zwei oder mehr unterschiedlichen Dielektrikumsschichten auch wirksam, wenn parasitäre Ladungen vorhanden sind.
8 veranschaulicht den Absolutwert des elektrischen Feldes in einem Halbleiterbauelement, das ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätszahl aufweist, wie sie in der in 4 gezeigten Kurve II veranschaulicht ist, aufweist. D. h., das Dielektrikum 40 umfasst drei im Wesentlichen homogene Schichten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen. Bezugnehmend auf 7 umfasst die Feldstärke sechs Maxima, zwei an den ersten und zweiten Seitenwänden (lateralen Positionen x1, x4 in 7) und vier an Grenzflächen zwischen den einzelnen Dielektrikumsschichten. Das höchste dieser Maxima ist allerdings geringer als das höchste Maximum in einem Bauelement mit nur zwei Dielektrikumsschichten. Dies wird anhand eines Beispielbauelements C erläutert, das sich von den Beispielbauelementen A und B nur dadurch unterscheidet, dass es drei Dielektrikumsschichten umfasst, nämlich eine erste Dielektrikumsschicht mit ε1=30 und einer Dicke von 5 Mikrometern an den Seitenwänden 31, 32 und dem Boden 33, einer zweiten Dielektrikumsschicht mit ε1=30 und einer Dicke von 15 Mikrometern auf der ersten Dielektrikumsschicht, und einer dritten Dielektrikumsschicht mit ε3=2,7 auf der zweiten Schicht, die die Aussparung auffüllt und die auch auf der ersten Oberfläche angeordnet ist. Basierend auf Simulationen ist das höchste Maximum des Absolutwerts des elektrischen Feldes 0,3MV/cm, was 20% geringer ist als bei dem Beispielbauelement B. Die Sperrspannungsfestigkeit dieses Beispielbauelements C ist 1590V, was etwa 13% geringer ist als bei dem Beispielbauelement B.
Wie anhand von Gleichung (1) ersichtlich ist, gilt allgemein, dass das elektrische Feld in dem Dielektrikum umso homogener wird, je kontinuierlicher die Dielektrizitätszahl abnimmt.
9 veranschaulicht Äquipotentiallinien eines elektrischen Feldes, das in einem in Rückwärtsrichtung gepolten Halbleiterbauelement mit drei unterschiedlichen Dielektrikumsschichten 41, 42, 43 im Dielektrikum 40 auftritt. Die Darstellung in 9 basiert auf Simulieren des Betriebs des oben erläuterten Beispielbauelements C. Bezugnehmend auf 9 erstrecken sich die Äquipotentiallinien im Innengebiet 111 des Halbleiterkörpers im Wesentlichen horizontal. Die Äquipotentiallinien verlassen den Halbleiterkörper 100 in der Aussparung 30. Bezugnehmend auf 9 erstreckt sich das elektrische Feld nicht oder erstreckt sich nicht wesentlich in das Mesagebiet 121 und das Kanalstoppgebiet 22, so dass das Mesagebiet 121 und das Kanalstoppgebiet 22 frei von einem elektrischen Feld sind, wenn der pn-Übergang 10 in Rückwärtsrichtung gepolt wird. Allgemein gilt, dass die Feldstärke umso höher ist, je kürzer der Abstand zwischen zwei benachbarten Äquipotentiallinien ist. Wie anhand von 8 ersichtlich ist, tritt die höchste elektrische Feldstärke in dem Dielektrikum 40 entlang der Oberfläche 101 auf. Dies ist in Übereinstimmung mit dem, was oben erläutert wurde. Bei dem in 9 gezeigten Bauelement treten die kürzesten Abstände zwischen benachbarten Äquipotentiallinien, d. h. die höchsten elektrischen Feldstärken nah der Mitte des Grabens auf, was in Übereinstimmung mit der in 8 gezeigten Kurve ist. Wie anhand von 9 ersichtlich ist, „spreizt“ das dotierte Gebiet 12, insbesondere der erste Abschnitt 12₁ des dotierten Gebiets 12, außerdem die Äquipotentiallinien auf, was gleichbedeutend mit einer Reduktion des elektrischen Feldes ist. Damit bewirkt das dotierte Gebiet 12₁ dass das maximale elektrische Feld an der ersten Seitenwand 31 geringer ist als in dem zweiten Gebiet 21.
Grundsätzlich können die Feldstärken in der Aussparung 30 durch Erhöhen der durchschnittlichen Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum 40 weiter reduziert werden. Die durchschnittliche Dielektrizitätszahl ist der Durchschnitt der Dielektrizitätszahl entlang einer Linie in der lateralen Richtung. Eine Erhöhung der durchschnittlichen Dielektrizitätszahl reduziert allerdings die Sperrspannungsfestigkeit. Dies ist anhand der Beispielbauelemente A, B und C ersichtlich. Bei dem Beispielbauelement A ist die durchschnittliche Dielektrizitätszahl ε_AVG = 2,7 und die Sperrspannungsfestigkeit ist 1832V; bei dem Beispielbauelement B ist die durchschnittliche Dielektrizitätszahl ε_AVG = 6,8 und die Sperrspannungsfestigkeit ist 1820V, und bei dem Beispielbauelement C ist die durchschnittliche Dielektrizitätszahl ε_AVG = 10,8 und die Sperrspannungsfestigkeit ist 1590V. Damit ist gemäß einem Beispiel die maximale Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum nicht höher als 30. Gemäß einem Beispiel ist die maximale Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum 40 aus einem Bereich zwischen 10 und 30 ausgewählt.
10 zeigt eine Modifikation der zuvor erläuterten Randabschlussstruktur. Bei den zuvor erläuterten Beispielen bilden die unterschiedlichen Schichten des Dielektrikums 40 einen Schichtstapel an den Seitenwänden 31, 32 und dem Boden 30. Bei dem in 10 gezeigten Beispiel sind Schichtstapel nur an den Seitenwänden 31, 32 derart gebildet, dass diese Schichten im Wesentlichen senkrecht zu dem Boden 33 sind. Bei diesem Beispiel, bei dem die Aussparung gegenüberliegende Seitenwände 31, 32 aufweist haben die Schichten 41₁, 41₂ im Wesentlichen gleiche Dielektrizitätszahlen und Schichten 42₁, 42₂, die diese Schichten 41₁, 41₂ überdecken, haben im Wesentlichen die gleichen Dielektrizitätszahlen. Eine weitere Schicht 43 füllt die Aussparung und ist auf der ersten Oberfläche 101 angeordnet. Bei dieser Struktur entsprechen Schichten 41₁, 41₂ der oben erläuterten ersten Schicht 41 und die Schichten 42₁, 42₂ entsprechen der oben erläuterten ersten Schicht 42.
11 zeigt eine weitere Modifikation der Randabschlussstruktur. Bei diesem Beispiel erstreckt sich die Aussparung in der lateralen Richtung x bis an die Randfläche 103, so dass die Aussparung nur eine Seitenwand umfasst, nämlich die erste Seitenwand 31. Bei diesem Beispiel ist das Kanalstoppgebiet 22 unterhalb des Bodens des Grabens und in der lateralen Richtung x zwischen der Seitenwand 103 und dem dritten Abschnitt 12₃ des dritten Halbleitergebiets 12 angeordnet.
Die oben erläuterte Randabschlussstruktur kann in vielen verschiedenen Halbleiterbauelementen, die einen pn-Übergang aufweisen, realisiert werden. Nachfolgend sind Beispiele einiger Bauelemente erläutert, die eine Grundstruktur aufweisen, wie sie in 1 gezeigt ist.
12 veranschaulicht ein Beispiel eines vertikalen Halbleiterbauelements, das als Diode realisiert ist. Bei diesem Halbleiterbauelement bildet das erste Halbleitergebiet 11 einen ersten Emitter, wie beispielsweise einen p-Emitter der Diode, und das zweite Halbleitergebiet 21 bildet ein Basisgebiet, wie beispielsweise eine n-Basis. Die Diode umfasst außerdem ein zweites Emittergebiet 124, das vom zweiten Leitfähigkeitstyp und höher dotiert als das Basisgebiet 21 ist. Das Basisgebiet 21 ist zwischen den ersten und zweiten Emittergebieten 11, 124 angeordnet. Das optionale Feldstoppgebiet 23 ist zwischen dem Basisgebiet 21 und dem zweiten Emittergebiet 124 angeordnet.
Das erste Emittergebiet 11 ist durch eine erste Elektrode 152 kontaktiert und das zweite Emittergebiet 124 ist durch eine zweite Elektrode 153 kontaktiert. Wenn das erste Emittergebiet 11 p-dotiert ist, bildet die erste Elektrode 152 eine Anode A und die zweite Elektrode 153 bildet eine Kathode K der Diode.
13 veranschaulicht ein vertikales Halbleiterbauelement, das als MOS-Transistor realisiert ist. Bei diesem Bauelement bildet das erste Halbleitergebiet 11 ein Bodygebiet und das zweite Halbleitergebiet 21 bildet ein Driftgebiet. Bei einem n-leitenden MOS-Transistor ist das Bodygebiet 11 p-dotiert und das Driftgebiet 21 ist n-dotiert, und bei einem p-leitenden MOS-Transistor ist das Bodygebiet 11 n-dotiert und das Driftgebiet 21 ist p-dotiert. Der MOS-Transistor umfasst außerdem wenigstens ein Sourcegebiet 225 des zweiten Leitfähigkeitstyps, das durch das Bodygebiet 11 von dem Driftgebiet 21 getrennt ist. Eine Gatesteuerstruktur mit einer Gateelektrode 61 und einem Gatedielektrikum 62 ist benachbart zu dem Bodygebiet 11 angeordnet und erstreckt sich von dem Sourcegebiet 225 zu einem Abschnitt des Driftgebiets 21. Bei dem in 12 dargestellten Beispiel ist die Gateelektrode 61 eine planare Elektrode, die oberhalb der ersten Oberfläche 101 angeordnet ist. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, andere Arten von Gateelektroden, wie beispielsweise Grabenelektroden können ebenso verwendet werden. Der MOS-Transistor kann eine zellenartige Struktur mit mehreren identischen Strukturen aufweisen, die jeweils ein Sourcegebiet 225 und eine Gateelektrode 61 oder einen Abschnitt einer Gateelektrode aufweisen.
Der MOS-Transistor umfasst außerdem ein Draingebiet 224 des zweiten Leitfähigkeitstyps, das höher dotiert ist als das Driftgebiet 21. Das Driftgebiet 21 ist zwischen dem Bodygebiet 11 und dem Draingebiet 224 angeordnet. Optional ist das Feldstoppgebiet 23 zwischen dem Driftgebiet 21 und dem Draingebiet 24 angeordnet.
Der MOS-Transistor kann als MOSFET oder IGBT realisiert sein. In einem MOSFET ist das Draingebiet 224 vom selben Leitfähigkeitstyp wie das Driftgebiet 21. In einem IGBT ist das Draingebiet 224 komplementär zu dem Driftgebiet 21 dotiert. Dieses Draingebiet 224 wird bei einem IGBT auch als Emittergebiet bezeichnet. Im Fall eines IGBT kann das Draingebiet 224 Bypässe (nicht dargestellt) aufweisen, an denen das Driftgebiet 21 die Drainelektrode kontaktieren kann. Diese Bypässe werden auch als Drain- oder Emitterkurzschlüsse bezeichnet. Auf diese Weise wird ein rückwärtsleitender - (Reverse Conducting, RC) - IGBT erhalten. Dies ist ein IGBT, der Spannungen nur in der Vorwärtsrichtung sperren kann, d. h., bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen Drain D und Source S.
Der MOS-Transistor umfasst außerdem eine erste Elektrode 252, die als eine Sourceelektrode wirkt und die Sourcegebiete 225 und das Bodygebiet 11 kontaktiert, und eine zweite Elektrode 253, die als eine Drainelektrode wirkt und das Draingebiet 225 kontaktiert.
14 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch ein als Thyristor realisiertes Halbleiterbauelement. Bei diesem Thyristor bildet das erste Halbleitergebiet 11 ein erstes Basisgebiet, wie beispielsweise eine p-Basis des Thyristors, das zweite Halbleitergebiet 21 bildet eine zweite Basis, wie beispielsweise eine n-Basis des Thyristors. Das erste Basisgebiet 11 wird durch eine Steuerelektrode 354 kontaktiert. Das Bauelement umfasst außerdem ein erstes Emittergebiet 325 des zweiten Leitfähigkeitstyps, das durch eine erste Elektrode 352 kontaktiert ist, und ein zweites Emittergebiet 324, das vom ersten Leitfähigkeitstyp ist und durch eine zweite Elektrode 353 kontaktiert ist. Das erste Basisgebiet 11 ist zwischen dem ersten Emittergebiet 25 und dem zweiten Basisgebiet 21 angeordnet und das zweite Basisgebiet 21 ist zwischen dem ersten Basisgebiet 11 und dem zweiten Emittergebiet 324 angeordnet. Bei diesem Bauelement bildet die erste Elektrode 352 einen Kathodenanschluss, die zweite Elektrode 353 bildet einen Anodenanschluss und die Steuerelektrode bildet einen Gateanschluss.
Obwohl die oben erläuterten Beispielbauelemente einen Silizium-Halbleiterkörper aufweisen, ist das Konzept des Reduzierens der Feldstärke im Graben durch Vorsehen eines Dielektrikums mit einer lateral variierenden Dielektrizitätszahl nicht auf siliziumbasierte Halbleiterbauelemente beschränkt. Dieses Konzept kann ebenso auf Halbleiterbauelemente angewendet werden, die auf einem anderen Halbleitermaterial als Silizium, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) basieren. In Siliziumkarbid ist die kritische elektrische Feldstärke etwa 10-mal der kritischen elektrischen Feldstärke in Silizium. Grundsätzlich kann ein SiC-Bauelement mit derselben Art von Dielektrikum und demselben lateralen Profil der Dielektrizitätszahl wie ein Si-Bauelement realisiert werden. Eine höhere elektrische Feldstärke in dem zweiten Gebiet 21 eines SiC-Bauelements führt allerdings zu einer höheren elektrischen Feldstärke in dem Dielektrikum 40.
Um zu verhindern, dass die maximale elektrische Feldstärke in dem Dielektrikum 40 die Spannungsfestigkeit des Dielektrikums 40 erreicht, kann ein SiC-Bauelement mit einer höheren Dotierstoffdosis des dotierten Gebiets 12₁ als ein Siliziumbauelement realisiert werden. Gemäß einem Beispiel ist die projizierte Dotierstoffdosis des ersten Gebiets aus einem Bereich zwischen 1E11 cm^-2 und 1E12 cm^-2 in einem Siliziumbauelement ausgewählt und ist aus einem Bereich zwischen 1E12 cm^-2 und 1E13 cm^-2 in einem SiC-Bauelement ausgewählt. Letzteres ist 10-mal die Dotierstoffdosis in dem Siliziumbauelement. Die „projizierte Dotierstoffdosis“ ist das Integral der zusätzlichen Dotierungskonzentration des Gebiets 12₁ in einer Richtung senkrecht zu der ersten Oberfläche 31. Die „zusätzliche Dotierungskonzentration“ des Gebiets 12₁ ist gegeben durch die Gesamtdotierungskonzentration minus der Dotierungskonzentration des zweiten Gebiets 21. Diese zusätzliche Dotierungskonzentration, und damit das Gebiet 12₁, kann erreicht werden durch Implantieren von Dotierstoff über die erste Oberfläche 31 in das zweite Gebiet 21 vor Herstellen des Dielektrikums. Bei diesem Implantationsprozess können die Dotierstoffe nicht vertikal in die erste Seitenwand 31 implantiert werden, sondern es wird eine Schrägimplantation verwendet. Die Implantationsdosis bei diesem Schrägprozess unterscheidet sich von der projizierten Implantationsdosis. Die projizierte Implantationsdosis kann aus der tatsächlichen Implantationsdosis in dem Schrägprozess und dem Neigungswinkel berechnet werden. Der Neigungswinkel ist der Winkel zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Implantationsrichtung. Wenn, hypothetisch, der Neigungswinkel 90° wäre, würde die projizierte Implantationsdosis gleich der tatsächlichen Implantationsdosis sein. In jedem anderen Fall ist die projizierte Implantationsdosis gegeben durch die tatsächliche Implantationsdosis multipliziert mit sin(α_τ), wobei α_τ der Neigungswinkel ist.

Claims

Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Halbleiterkörper (100), der eine erste Oberfläche (101), ein Innengebiet (111) und ein Randgebiet (112) aufweist; einen pn-Übergang zwischen einem ersten Halbleitergebiet (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps und einem zweiten Halbleitergebiet (21) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei sich der pn-Übergang in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers (100) im Innengebiet (111) erstreckt; eine Aussparung (30), die sich in dem Randgebiet (112) von der ersten Oberfläche (101) in den Halbleiterkörper (100) erstreckt, wobei die Aussparung (30) wenigstens eine erste Seitenwand (31) aufweist; ein Dielektrikum (40), das die Aussparung (30) füllt, wobei eine Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum (40) in der lateralen Richtung mit zunehmendem Abstand von der ersten Seitenwand (31) von einem Maximum zu einem Minimum abnimmt, wobei das Maximum der Dielektrizitätszahl aus einem Bereich zwischen 10 und 30 ausgewählt ist und das Minimum der Dielektrizitätszahl aus einem Bereich zwischen 2 und 5 ausgewählt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Dielektrikum an der ersten Seitenwand (31) eine Folge von Schichten (41, 42; 41, 42, 43) aufweist, die jeweils eine im Wesentlichen homogene Dielektrizitätszahl aufweisen, wobei die Schichten (41, 42; 41, 42, 43) der Folge unterschiedliche Dielektrizitätszahlen aufweisen.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Folge von Schichten (41, 42; 41, 42, 43) wenigstens zwei Schichten aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem das Dielektrikum (40) ein Gebiet aufweist, in dem in der lateralen Richtung die Dielektrizitätszahl in Richtung einer Mitte der Aussparung im Wesentlichen kontinuierlich abnimmt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Dielektrikum ein Polymer aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem das Polymer Benzocyclobuten (BCB) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Silizium; Siliziumkarbid; Galliumnitrid; und Diamant.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Dielektrikum (40) außerdem Abschnitte der ersten Oberfläche (101), die an die Aussparung (40) angrenzen, überdeckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem das Dielektrikum (40) in solchen Bereichen, die die erste Oberfläche (101) überdecken, das Minimum der Dielektrizitätszahl aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) außerdem eine Randfläche (103) aufweist, und bei dem das Dielektrikum (40) die Randfläche (103) überdeckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) außerdem eine Randfläche (103) aufweist, und bei dem die Aussparung (30) beabstandet zu der Randfläche (103) ist, so dass sie eine der ersten Oberfläche (31) gegenüberliegende zweite Oberfläche (32) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Dielektrizitätszahl in dem Dielektrikum (30) in der lateralen Richtung in Richtung einer Mitte der Aussparung (40) mit zunehmendem Abstand zu der ersten Seitenwand (31) und zunehmendem Abstand zu der zweiten Seitenwand (32) abnimmt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) außerdem eine Randfläche aufweist, und bei dem die Aussparung (30) an die Randfläche (103) angrenzt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleitergebiet (21) sich in der lateralen Richtung über die Aussparung (30) hinaus erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, bei dem ein drittes Halbleitergebiet (12) des ersten Leitfähigkeitstyps zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (21) und der Aussparung (30) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, bei dem das dritte Halbleitergebiet (12) eine höhere Dotierungskonzentration oder eine höhere Dotierstoffdosis in einem an einen Boden (33) der Aussparung (30) angrenzenden Gebiet (12₃) als in einem an die erste Seitenwand (31) angrenzenden Gebiet (12₁) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, bei dem der Halbleiterkörper (100) aus Silizium besteht, und bei dem eine projizierte Dotierstoffdosis des dritten Gebiets (12) in dem an die erste Seitenwand (31) angrenzenden Gebiet (12₁) aus einem Bereich zwischen 1E11 cm^-2 und 1E12 cm^-2 ausgewählt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, bei dem der Halbleiterkörper (100) aus Siliziumkarbid besteht, und bei dem eine projizierte Dotierstoffdosis des dritten Gebiets (12) in dem an die erste Seitenwand (31) angrenzenden Gebiet (12₁) aus einem Bereich zwischen 1E12 cm^-2 und 1E13 cm^-2 ausgewählt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) eine Dicke aufweist und die Aussparung (30) eine Tiefe in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers aufweist, und wobei die Tiefe geringer als 80%, geringer als 66% oder geringer als 50% der Dicke ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleitergebiet (21) eine Dicke in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers (100) aufweist und die Aussparung (30) eine Tiefe in der vertikalen Richtung besitzt, und wobei die Tiefe geringer als 80%, geringer als 66% oder geringer als 50% der Dicke des zweiten Halbleitergebiets (21) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich die Aussparung in der vertikalen Richtung nicht über das zweite Halbleitergebiet (21) hinaus erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das weiterhin aufweist: eine Randfläche (103) des Halbleiterkörpers (100); ein Kanalstoppgebiet (22), das vom zweiten Leitfähigkeitstyp und höher dotiert als das zweite Halbleitergebiet (21) ist, wobei das Kanalstoppgebiet (22) an die Randfläche (103) und die erste Oberfläche (101) oder einen Boden (33) der Aussparung (30) angrenzt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als vertikale Diode ausgebildet ist, in der das erste Halbleitergebiet (11) einen ersten Emitter bildet, das zweite Halbleitergebiet (21) ein Basisgebiet bildet und die weiterhin aufweist: einen zweiten Emitter (23) des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei das Basisgebiet (21) zwischen dem ersten und zweiten Emitter (11, 23) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als Transistor realisiert ist, in dem das erste Halbleitergebiet (11) ein Bodygebiet bildet, das zweite Halbleitergebiet (21) ein Driftgebiet bildet und das weiterhin aufweist: wenigstens ein Sourcegebiet (225) des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei das Bodygebiet (11) zwischen dem Sourcegebiet (225) und dem Driftgebiet (21) angeordnet ist; wenigstens eine benachbart zu dem Bodygebiet (11) und durch ein Gatedielektrikum (62) dielektrisch gegenüber dem Bodygebiet (11) isolierte Gateelektrode (61); ein Draingebiet (224) wobei das Driftgebiet (21) zwischen dem Draingebiet (224) und dem Bodygebiet (11) angeordnet ist.