DE102015122804A1 - Halbleitervorrichtung, enthaltend eine Wärmesenkenstruktur - Google Patents

Halbleitervorrichtung, enthaltend eine Wärmesenkenstruktur Download PDF

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (500) enthält eine in einem Halbleiterkörper (100) ausgebildete Driftstruktur (120). Die Driftstruktur (120) bildet einen ersten pn-Übergang (pn1) mit einer Bodyzone (115) einer Transistorzelle (TC). Von einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) aus erstreckt sich eine Gatestruktur (150) in die Driftstruktur (120). Von der ersten Oberfläche (101) aus erstreckt sich eine Wärmesenkenstruktur (170) in die Driftstruktur (120). Eine thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur (170) ist höher als eine thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur (150) und/oder eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur (170) ist höher als eine Wärmekapazität der Gatestruktur (150).

Description

  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleitervorrichtungen wandeln elektrische Energie in einem gewissen Maße in thermische Energie um. Falls ein Kurzschluss auftritt oder falls die Leistungshalbleitervorrichtung als Antwort auf einen Überstromzustand abschaltet, kann die dissipierte thermische Energie die während eines normalen Betriebsmodus dissipierte thermische Energie signifikant übersteigen. Eine Gestaltung eines Halbleiterkörpers der Halbleitervorrichtung, um kurzzeitiger thermischer Beanspruchung zuverlässig standzuhalten, beeinflusst typischerweise Vorrichtungseigenschaften nachteilig. Herkömmlicherweise wird eine dicke Kupfermetallisierung mit dem Halbleiterkörper thermisch gekoppelt und dissipiert die im Halbleiterkörper erzeugte thermische Energie.
  • Es besteht ein Bedarf an Halbleitervorrichtungen mit einer hohen thermischen Belastbarkeit.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsformen.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Halbleitervorrichtung eine Driftstruktur, welche in einem Halbleiterkörper ausgebildet ist und welche einen ersten pn-Übergang mit einer Bodyzone einer Transistorzelle bildet. Eine Gatestruktur erstreckt sich von einer ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers in die Driftstruktur. Eine Wärmesenkenstruktur erstreckt sich von der ersten Oberfläche in die Driftstruktur. Eine thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur ist höher als eine thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur und/oder eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur ist höher als eine Wärmekapazität der Gatestruktur.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Halbleiterkörper, der halbleitende Bereiche einer Transistorzelle enthält. Eine Sourcekontaktstruktur grenzt direkt zumindest an eine Sourcezone der Transistorzelle an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers. Ein Wärmesenkenmerkmal erstreckt sich von einer Rückseite in den Halbleiterkörper. Eine (i) thermische Leitfähigkeit des Wärmesenkenmerkmals ist höher als eine thermische Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers und/oder (ii) eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur ist größer als eine Wärmekapazität des Halbleiterkörpers.
  • 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 der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht von Bereichen einer Halbleitervorrichtung, die Gatestrukturen und Wärmesenkenstrukturen umfassen, die sich von der ersten Oberfläche in einen Halbleiterkörper erstrecken, gemäß einer Ausführungsform.
  • 1B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht von Bereichen einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, die zusätzlich zu Gatestrukturen und Wärmesenkenstrukturen Feldplattenstrukturen umfassen.
  • 2A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, der sich auf Wärmesenkenstrukturen mit hoher thermischer Kapazität bezieht und von einer Lastelektrode elektrisch isoliert ist.
  • 2B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, der sich auf Wärmesenkenstrukturen mit hoher thermischer Kapazität bezieht und von einer Lastelektrode elektrisch isoliert ist, in Kombination mit Feldplattenstrukturen.
  • 2C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, bezogen auf dielektrische Wärmesenkenstrukturen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die mit einer Lastelektrode thermisch verbunden sind, in Kombination mit Feldplattenstrukturen.
  • 2D ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, bezogen auf eine Kombination von Feldplattenstrukturen und Wärmesenkenstrukturen mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, wobei die Wärmesenkenstrukturen mit einer Lastelektrode elektrisch verbunden sind.
  • 2E ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform, bezogen auf Wärmesenkenstrukturen mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, wobei die Wärmesenkenstrukturen als Feldplattenstrukturen wirksam sind.
  • 3A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit einer homogenen Wärmesenkenstruktur, basierend auf einem Material mit hoher thermischer Kapazität, gemäß einer Ausführungsform.
  • 3B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit einer Wärmesenkenstruktur, basierend auf einem PCM (Phasenänderungsmaterial) und einer Sperr- bzw. Barrierenschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 3C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit einer Wärmesenkenstruktur, basierend auf einer partiellen Füllung mit PCM, gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 3D ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit einer Wärmesenkenstruktur basierend auf einem PCM mit Luftblasen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • 3E ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit Wärmesenkenstrukturen, die eine thermisch hochleitfähige dielektrische Schicht umfassen.
  • 3F ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit Wärmesenkenstrukturen, die thermisch hochleitfähige Strukturen entlang einer Grenzfläche zu einem Halbleiterkörper gemäß einer Ausführungsform umfassen, verweisend auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
  • 3G ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit Wärmesenkenstrukturen, die thermisch hochleitfähige Strukturen entlang einer Grenzfläche zu einem Halbleiterkörper gemäß einer Ausführungsform umfassen, verweisend auf Diamantkristallite.
  • 3H ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit PCM-basierten Wärmesenkenstrukturen, die thermisch hochleitfähige Einschlüsse gemäß einer Ausführungsform umfassen, verweisend auf Diamantkristallite.
  • 3I ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung mit PCM-basierten Wärmesenkenstrukturen, die thermisch hochleitfähige Einschlüsse gemäß einer Ausführungsform umfassen, verweisend auf Graphenblätter.
  • 4A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung, die thermische Energie aus einem Halbleiterkörper gemäß einer Ausführungsform abgibt, verweisend auf Wärmesenkenstrukturen mit thermisch hochleitfähigen dielektrischen Bereichen.
  • 4B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung, die thermische Energie aus einem Halbleiterkörper gemäß einer Ausführungsform abgibt, verweisend auf Wärmesenkenstrukturen mit dielektrischen Bereichen, die dünner als ein Gatedielektrikum sind.
  • 5A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs eines n-FET gemäß einer Ausführungsform.
  • 5B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs eines rückwärts sperrenden n-Kanal-IGBT gemäß einer Ausführungsform.
  • 5C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs eines rückwärts leitenden n-Kanal-IGBT gemäß einer Ausführungsform.
  • 6A ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung, die thermische Energie über Wärmesenkenmerkmale an einer Rückseite gemäß einer Ausführungsform abgibt.
  • 6B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung, die thermische Energie über Wärmesenkenmerkmale an einer Rückseite gemäß einer Ausführungsform abgibt, verweisend auf Graben-Gatestrukturen beziehen.
  • 7A ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit streifenförmigen Wärmesenkenmerkmalen, die mit einer Lastelektrode an einer Rückseite verbunden sind.
  • 7B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 7A entlang Linie B-B.
  • 7C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 7A entlang Linie C-C.
  • 8A ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit streifenförmigen Wärmesenkenmerkmalen, die mit einer Lastelektrode an einer Rückseite verbunden sind und sich bis zu einer Vorderseite erstrecken.
  • 8B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 8A entlang Linie B-B.
  • 8C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 8A entlang Linie C-C.
  • 9A ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit säulenartigen Wärmesenkenmerkmalen, die mit einer Lastelektrode an einer Rückseite elektrisch verbunden sind.
  • 9B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 9A entlang Linie B-B.
  • 9C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 9A entlang Linie C-C.
  • 10A ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit streifenförmigen Wärmesenkenmerkmalen, die an einer Vorderseite ausgebildet sind.
  • 10B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 10A entlang Linie B-B.
  • 10C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 10A entlang Linie C-C.
  • 11A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Bereichs einer Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit nicht gleichmäßig verteilten Wärmesenkenmerkmalen.
  • 11B ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 11A entlang Linie B-B.
  • 11C ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht des Halbleitervorrichtungsbereichs von 11A entlang Linie C-C.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Umfang der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch 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.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsgebiets ist, während ein ”n+”-Dotierungsgebiet eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsgebiet. Dotierungsgebiete der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsgebiete die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1A zeigt einen Bereich einer Halbleitervorrichtung 500, welche zum Beispiel eine MGD (MOS-gategesteuerte Diode), ein IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate), zum Beispiel ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET) in der gewöhnlichen Bedeutung, einschließlich FETs mit Metall-Gate und FETs mit Halbleiter-Gate, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), zum Beispiel ein rückwärts sperrender IGBT oder ein rückwärts leitender IGBT, oder eine Vorrichtung sein kann, die weitere elektronische Schaltungen zusätzlich zu einer MGD-, IGFET- oder IGBT-Funktionalität einschließt.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 umfasst Transistorzellen TC. Halbleitende Bereiche der Transistorzellen TC sind in einem Halbleiterkörper 100 ausgebildet, welcher aus kristallinem Halbleitermaterial wie etwa Silizium (Si), Germanium (Ge), Silizium-Germanium (SiGe), Siliziumcarbid (SiC) oder einem AIIIBV-Halbleiter geschaffen ist.
  • Eine Distanz zwischen einer ersten Oberfläche 101 an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers 100 und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche an einer Rückseite kann zwischen 20 μm und mehreren hundert 100 μm betragen. Richtungen parallel zur ersten Oberfläche 101 sind horizontale Richtungen, und eine Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 101 ist eine vertikale Richtung.
  • Die Transistorzellen TC können IGFET-Zellen mit Gatestrukturen 150 sein, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Gatestrukturen 150 können streifenförmig sein mit einer ersten horizontalen Ausdehnung, die eine zweite horizontale Ausdehnung orthogonal zur ersten horizontalen Ausdehnung um zumindest ein Zehnfaches übertrifft, oder können punktförmig sein, wobei beide horizontalen Ausdehnungen innerhalb der gleichen Größenordnung liegen, zum Beispiel annähernd gleich sind.
  • Die Gatestrukturen 150 können eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 151, das die Gateelektrode 155 vom Halbleiterkörper 100 trennt, umfassen. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Transistorzellen JFET-(Übergangs- bzw. Junction-Feldeffekttransistor-)Zellen mit einer leitfähigen Gateelektrode sein, die direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzt. Die Gateelektrode 155 kann mit einer Steuerelektrode 330 elektrisch verbunden sein, welche an der Vorderseite ausgebildet sein kann und welche einen Gateanschluss G bilden oder mit einem solchen elektrisch verbunden oder gekoppelt sein kann.
  • Die Transistorzelle TC umfasst eine Bodyzone 115, die in einer aktiven Mesastruktur 181 des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet ist, wobei die aktive Mesastruktur 181 direkt an eine oder zwei der Gatestrukturen 150 grenzt. In der aktiven Mesastruktur 181 bildet die Bodyzone 115 einen ersten pn-Übergang pn1 mit einer Driftstruktur 120 und einen zweiten pn-Übergang pn2 mit einer Sourcezone 110, wobei die Sourcezone 110 zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Bodyzone 115 ausgebildet sein kann.
  • Die Bodyzone 115 und die Sourcezone 110 sind mit einer ersten Lastelektrode 310 elektrisch verbunden, welche einen ersten Lastanschluss L1 bilden oder welche mit einem solchen elektrisch verbunden oder gekoppelt sein kann. Die Driftstruktur 120 ist mit einer zweiten Lastelektrode 320 elektrisch verbunden oder direkt oder über einen pn-Übergang mit ihr gekoppelt, welche einen zweiten Lastanschluss L2 bilden oder mit einem solchen elektrisch verbunden oder gekoppelt sein kann.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 umfasst ferner eine Wärmesenkenstruktur 170, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftstruktur 120 erstreckt. Entweder ist die spezifische Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur 170 signifikant höher als die spezifische Wärmekapazität der Gatestruktur 150 oder die spezifische thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur 170 ist signifikant höher als die spezifische thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur 150, oder sowohl die spezifische Wärmekapazität als auch die spezifische thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur 170 sind signifikant höher als die spezifische Wärmekapazität und die spezifische thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur 150. Beispielsweise ist die spezifische Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur 170 zumindest doppelt oder zumindest zehnmal so hoch wie die spezifische Wärmekapazität der Gatestruktur 150. Alternativ oder zusätzlich dazu ist die spezifische thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur 170 zumindest zweimal, zumindest fünfmal, zumindest zehnmal oder zumindest zwanzigmal so hoch wie die spezifische thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur 150.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind zumindest einige der Wärmesenkenstrukturen 170 mit einer Kühlstruktur thermisch verbunden, die außerhalb des und in einer Distanz zum Halbleiterkörper 100 ausgebildet ist. Die Kühlstruktur kann die erste Lastelektrode 310, die Steuerelektrode 330 oder eine Hilfs- bzw. Zusatzelektrode sein, die von der ersten Lastelektrode 310 und der Steuerelektrode 330 elektrisch getrennt ist.
  • Die Wärmesenkenstruktur 170 absorbiert, dissipiert oder absorbiert und dissipiert thermische Energie in einem höheren Maße als die Gatestrukturen 150. Da die Wärmesenkenstrukturen 170 direkt an elektrische aktive Bereiche des Halbleiterkörpers 100 grenzen, kann thermische Energie, die in einem Bereich der Driftstruktur 120 bei bzw. nahe den Gatestrukturen 150 während eines Überstromzustands, eines Kurzschlusses oder eines Lawinendurchbruchs erzeugt wird, augenblicklich und direkt vom Halbleiterkörper 100 entfernt werden, ohne dass die thermische Energie unter der Gefahr einer thermischen Zerstörung des Kristallgitters des Halbleiterkörpers 100 weitere Halbleiterbereiche passiert.
  • In IGBTs mit hoher Robustheit gegen Kurzschluss sind aktive Gatestrukturen typischerweise nur in einem Bereich der verfügbaren Gesamtchipfläche ausgebildet. Weitere Grabenstrukturen mit den gleichen Abmessungen wie die Gatestrukturen 150, zum Beispiel Feldplattenstrukturen, sind typischerweise zusätzlich zu den Gatestrukturen 150 ausgebildet, wobei die weiteren Grabenstrukturen und die Gatestrukturen ein regelmäßiges Muster bzw. eine regelmäßige Struktur bilden.
  • Der gleiche Strukturierungsprozess kann genutzt werden, um sowohl die Gatestrukturen 150 als auch die Wärmesenkenstrukturen 170 zu definieren, so dass die Wärmesenkenstrukturen 170 unter einem vergleichsweise geringen zusätzlichen Prozessaufwand gebildet werden können. Eine vertikale Ausdehnung der Wärmesenkenstrukturen 170 kann von einer vertikalen Ausdehnung der Gatestrukturen 150 um nicht mehr als 20%, zum Beispiel um nicht mehr als 10% oder höchstens 5%, abweichen. Gemäß einer Ausführungsform ist die vertikale Ausdehnung der Wärmesenkenstrukturen 170 gleich der vertikalen Ausdehnung der Gatestrukturen 150. Die Wärmesenkenstrukturen 170 können streifenförmig sein, wobei eine erste horizontale Ausdehnung eine zweite horizontale Ausdehnung orthogonal zur ersten horizontalen Ausdehnung um zumindest ein Zehnfaches übertrifft, oder können punktförmig sein, wobei beide horizontalen Ausdehnungen innerhalb der gleichen Größenordnung liegen, zum Beispiel annähernd gleich sind.
  • Indem man zumindest einige der weiteren Grabenstrukturen als Wärmesenkenstrukturen 170 umwidmet, kann die thermische Robustheit der Halbleitervorrichtung 500 ohne jeglichen Verlust an Flächeneffizienz verbessert werden. Eine Nutzung der weiteren Grabenstrukturen zum Dissipieren thermischer Energie ermöglicht eine weitere Erhöhung des horizontalen Flächenverhältnisses zwischen Grabenstrukturen auf der einen und Mesastrukturen auf der anderen Seite. Die Wärmesenkenstrukturen 170 grenzen direkt an Bereiche des Halbleiterkörpers 100, in welchen ansonsten eine Wärmeleitfähigkeit aufgrund des Strukturierens mit den Grabenstrukturen gering ist. Verglichen mit einer Wärmedissipation über die Gatestrukturen allein kann über eine signifikant größere thermische Kontaktfläche Wärme dissipiert werden. Außerdem können die Wärmesenkenstrukturen 170 zu einem Löchereinschluss (engl. hole confinement) beitragen und auf diese Weise zu einer Reduzierung von Verlusten beitragen.
  • In 1B umfasst die Halbleitervorrichtung 500 ferner Feldplattenstrukturen 160, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftstruktur 120 erstrecken. Die Feldplattenstrukturen 160 umfassen eine leitfähige Feldplatte 165 und ein Felddielektrikum 161, das die Feldplatte 165 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Die Feldplatte 165 kann mit der ersten Lastelektrode 310, mit der Steuerelektrode 330 oder mit einem Feldplattenanschluss elektrisch verbunden sein, der vom Steueranschluss G und dem ersten Lastanschluss L1 getrennt ist.
  • Die Wärmesenkenstruktur 170 kann elektrisch nichtleitend sein, kann einen elektrisch leitfähigen Bereich ohne elektrische Verbindung umfassen oder kann einen elektrisch leitfähigen Bereich umfassen, der mit einem Kühlkörper außerhalb des Halbleiterkörpers 100, zum Beispiel der ersten Lastelektrode 310, elektrisch verbunden ist.
  • 2A bis 2E veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Wärmesenkenstrukturen 170 teilweise in Kombiantion mit Feldplattenstrukturen 160 für ein Layout mit vier weiteren Grabenstrukturen, die zwischen Paaren aktiver Gatestrukturen 150 ausgebildet sind. Ähnliche Betrachtungen gelten für Ausführungsformen mit einer, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr weiteren Grabenstrukturen zwischen jedem Paar Gatestrukturen 150.
  • 2A bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung 500, welcher Halbleiterkörper 100 auf einem kristallinen Halbleitermaterial, zum Beispiel Si, Ge, SiGe, SiC oder einem AIIIBV-Halbleiter basiert. An einer Vorderseite weist der Halbleiterkörper 100 eine erste Oberfläche 101 auf, welche durch eine Ebene definiert sein kann, die durch koplanare obere Oberflächen aktiver und inaktiver bzw. Idle-Mesastrukturen 181, 182 aufgespannt wird, die von Abschnitten des Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Grabenstrukturen gebildet werden. Eine planare zweite Oberfläche 102 an der gegenüberliegenden Rückseite ist zur ersten Oberfläche 101 parallel.
  • Eine minimale Distanz zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 wird ausgewählt, um ein spezifisches Spannungssperrvermögen der Halbleitervorrichtung 500 zu erzielen, und kann zumindest 20 μm betragen. Die Distanz zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 kann beispielsweise in einem Bereich von 90 μm bis 110 μm für eine Halbleitervorrichtung 500 liegen, die für eine Sperrspannung von etwa 1200 V spezifiziert ist. Ausführungsformen, die sich auf Halbleitervorrichtungen 500 mit einem höheren Sperrvermögen beziehen, können Halbleiterkörper 100 mit einer Dicke von mehreren 100 μm vorsehen.
  • In einer Ebene senkrecht zur Querschnittsebene kann der Halbleiterkörper 100 eine rechteckige Form mit einer Kantenlänge im Bereich von mehreren Millimetern aufweisen. Eine Normale zur ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zur vertikalen Richtung sind horizontale Richtungen.
  • Im Halbleiterkörper 100 ist eine Sockelschicht 130 sandwichartig zwischen einer Driftstruktur 120 und der zweiten Oberfläche 102 angeordnet. Die Sockelschicht 130 kann den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Driftstruktur 120, einen komplementären Leitfähigkeitstyp aufweisen oder kann Zonen beider Leitfähigkeitstypen umfassen. In der Sockelschicht 130 ist eine Dotierstoffkonzentration entlang der zweiten Oberfläche 102 ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit einer in direktem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 102 gebildeten Metallschicht zu schaffen.
  • Die Driftstruktur 120 kann eine gering dotierte Driftzone 121 und eine höher dotierte Puffer- oder Feldstoppzone 129 umfassen, die zwischen der Driftzone 121 und der Sockelschicht 130 sandwichartig angeordnet ist. Eine Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann mit zunehmender Distanz zur ersten Oberfläche 101 zumindest in Bereichen ihrer vertikalen Ausdehnung allmählich oder in Schritten zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 annähernd gleichmäßig sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann zwischen 1E12 cm–3 und 1E15 cm–3, zum Beispiel in einem Bereich von 5E12 cm–3 bis 8E13 cm–3, liegen. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Puffer- oder Feldstoppzone 129 ist zumindest fünfmal, zum Beispiel zumindest zehnmal, so hoch wie die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121.
  • Gatestrukturen 150 erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100. Die Gatestrukturen 150 können eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 151 umfassen, das die Gateelektrode 155 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Die Gateelektrode 155 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur aufweisen, die eine oder mehrere metallhaltige Schichten umfasst. Gemäß einer Ausführungsform kann die Gateelektrode 155 eine hochdotierte polykristalline Siliziumschicht umfassen oder daraus bestehen.
  • Das Gatedielektrikum 151 kann beispielsweise ein Halbleiteroxid, zum Beispiel ein thermisch gewachsenes oder abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, zum Beispiel abgeschiedenes oder thermisches gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxinitrid, zum Beispiel Siliziumoxinitrid, umfassen oder daraus bestehen.
  • Die Gatestrukturen 150 können streifenförmig oder punktförmig sein. Eine vertikale Ausdehnung der Gatestrukturen 150 kann von 1 μm bis 30 μm, zum Beispiel von 3 μm bis 7 μm, reichen. Eine laterale Breite der aktiven Mesastrukturen 181 und der Idle-Mesastrukturen 182 kann von 0,05 μm bis 10 μm, zum Beispiel von 0,15 μm bis 1 μm, reichen. Eine Distanz zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem ersten pn-Übergang pn1 kann von 0,5 μm bis 5 μm, zum Beispiel von 1 μm bis 1,5 μm, reichen.
  • Zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 können sich ein oder mehrere Wärmesenkenstrukturen 170 von der ersten Oberfläche 101 in die Driftstruktur 120 erstrecken. Die Wärmesenkenstrukturen 170 können streifenförmig oder punktförmig sein. Beispielsweise können horizontale Querschnitte von sowohl den Gatestrukturen 150 als auch den Wärmesenkenstrukturen 170 streifenförmig sein oder können beide punktförmig sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Gatestrukturen 150 streifenförmig und die Wärmesenkenstrukturen 170 sind punktförmig, oder die Gatestrukturen 150 sind punktförmig und die Wärmesenkenstrukturen 170 sind streifenförmig.
  • Halbleitende Bereiche von Transistorzellen TC sind in aktiven Mesastrukturen 181 ausgebildet, die die Gatestrukturen 150 von benachbarten Grabenstrukturen, zum Beispiel von benachbarten Wärmesenkenstrukturen 170, trennen. Die aktiven Mesastrukturen 181 umfassen Bodyzonen 115 und Sourcezonen 110, wobei die Bodyzonen 115 erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftstruktur 120 und zweite pn-Übergänge pn2 mit den Sourcezonen 110 ausbilden.
  • Bereiche des Halbleiterkörpers 100, die benachbarte Wärmesenkenstrukturen 170 trennen, bilden inaktive bzw. Idle-Mesastrukturen 182. Die Idle-Mesastrukturen 182 können Idle-Bodyzonen 115z und/oder Idle-Sourcezonen 110z mit vertikalen Ausdehnungen entsprechend den vertikalen Ausdehnungen der Sourcezonen 110 und der Bodyzonen 110 in den aktiven Mesastrukturen 181 oder können keine umfassen.
  • Ein Zwischenschichtdielektrikum 210 kann auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein. Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann eine oder mehrere Schichten eines Halbleiteroxids, zum Beispiel Siliziumoxid, Halbleiternitrids, zum Beispiel Siliziumnitrid, oder Halbleiteroxinitrids, zum Beispiel Siliziumoxinitrid, welche auf dem Halbleiterkörper 100 thermisch gewachsene oder abgeschiedene Schichten sein können, und/oder eine oder mehrere Schichten von dotiertem oder undotiertem Glas, zum Beispiel BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas), BPSG (Borphosphorsilikatglas), FSG (Fluorsilikatglas), USG (undotiertes Silikatglas) oder ein Spin-on-Glas umfassen.
  • Eine erste Lastelektrode 310 ist auf dem Zwischenschichtdielektrikum 210 so ausgebildet, dass das Zwischenschichtdielektrikum 210 zwischen der ersten Lastelektrode 310 und dem Halbleiterkörper 100 sandwichartig angeordnet ist. Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1 bilden oder mit einem solchen elektrisch gekoppelt oder verbunden sein, welcher beispielsweise ein Emitteranschluss eines IGBT, ein Sourceanschluss eines FET oder ein Anodenanschluss einer Leistungshalbleiterdiode sein kann.
  • Sourcekontaktstrukturen 315a erstrecken sich von der ersten Lastelektrode 310 durch das Zwischenschichtdielektrikum 210 zu dem oder in den Halbleiterkörper 100 und verbinden die Sourcezonen 110 und die Bodyzonen 115 der aktiven Mesastrukturen 181 elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310.
  • Eine zweite Lastelektrode 320, die direkt an die Sockelschicht 130 und die zweite Oberfläche 102 grenzt, kann einen zweiten Lastanschluss L2 bilden oder mit einem solchen elektrisch gekoppelt oder verbunden sein, welcher beispielsweise ein Kollektoranschluss eines IGBT, ein Drainanschluss eines FET oder ein Kathodenanschluss einer Leistungshalbleiterdiode sein kann.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil(e) aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, zum Beispiel AlSi, AlCu oder AlSiCu, bestehen oder diese enthalten. Gemäß anderen Ausführungsformen kann zumindest eine der ersten und zweite Lastelektroden 310, 320 als Hauptbestandteil(e) Nickel (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Silber (Ag), Gold (Au), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) enthalten. Zumindest eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann beispielsweise zwei oder mehr Teilschichten umfassen, wobei jede Teilschicht ein oder mehr von Ni, Ti, Ag, Au, Pt, W und Pd als Hauptbstandteil(e), zum Beispiel ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung, enthält.
  • Die Wärmesenkenstrukturen 170 können dielektrische oder schwach leitfähige Strukturen sein, die homogen oder geschichtet sein können, wobei dielektrische oder schwach leitfähige Bereiche einen elektrisch hochleitfähigen Bereich vom Halbleiterkörper 100 trennen können. Zumindest eines der Materialien der Wärmesenkenstrukturen 170 kann eine signifikant höhere spezifische Wärmekapazität als die Gateelektrode 155 aufweisen. Beispielsweise können die Wärmesenkenstrukturen 170 ein elektrisch nicht leitfähiges PCM (Phasenänderungsmaterial) enthalten, welches direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzen kann und welches thermisch hochleitfähige Einschlüsse wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Diamantpartikel und/oder Graphenpartikel einbetten kann.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Wärmesenkenstrukturen 170 einen thermisch hochleitfähigen dielektrischen Bereich, der direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzt, und ein elektrisch leitfähiges Material mit hoher Wärmekapazität, zum Beispiel ein elektrisch leitfähiges PCM, umfassen. Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann die Wärmesenkenstrukturen 170 von elektrisch leitfähigen Strukturen, die an der Vorderseite des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet sind, zum Beispiel von der ersten Lastelektrode 310, trennen.
  • Eine Breite der aktiven und Idle-Mesastrukturen 181, 182 kann in einem Bereich von 0,1·L bis 3·L liegen, wobei L die mittlere freie Weglänge von Phononen im Halbleiterkörper 100 bei einer Temperatur von 125°C ist.
  • In 2B umfassen die Grabenstrukturen der Halbleitervorrichtung 500 Feldplattenstrukturen 160, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftstruktur 120 erstrecken. Die Grabenstrukturen, die die Gatestrukturen 150, die Feldplattenstrukturen 160 und die Wärmesenkenstrukturen 170 bilden, können die gleichen vertikalen und lateralen Abmessungen aufweisen und können ein regelmäßiges Streifenmuster mit gleichmäßiger Distanz von Mitte zu Mitte bilden.
  • Die Feldplattenstrukturen 160 umfassen eine leitfähige Feldplatte 165 und ein Felddielektrikum 161, das die Feldplatte 165 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Die Feldplatte 165 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur sein, die eine oder mehrere metallhaltige Schichten umfasst. Gemäß einer Ausführungsform kann die Feldplatte 165 eine hochdotierte polykristalline Siliziumschicht umfassen oder aus einer solchen bestehen. Materialien und interne Gestaltung der Gateelektrode 155 und der Feldplatte 165 können gleich sein.
  • Das Felddielektrikum 151 kann beispielsweise ein Halbleiteroxid, zum Beispiel ein thermisch gewachsenes oder abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, zum Beispiel ein abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxinitrid, zum Beispiel ein Siliziumoxinitrid, umfassen oder daraus bestehen. Materialien und interne Gestaltung des Felddielektrikums 161 und des Gatedielektrikums 151 können gleich sein. Feldplattenkontaktstrukturen 315b können sich von der Lastelektrode 310 durch das Zwischenschichtdielektrikum 210 zu den oder in die Feldplatten 165 erstrecken und können die Feldplatten 165 mit der ersten Lastelektrode 310 elektrisch verbinden.
  • Die Anzahl von Feldplattenstrukturen 160 kann kleiner, größer oder gleich der Anzahl von Wärmesenkenstrukturen 170 sein. Zumindest einige der Feldplattenstrukturen 160 können neben bzw. dicht bei aktiven Mesastrukturen 181 ausgebildet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Wärmesenkenstrukturen 170 zwischen den Feldplattenstrukturen 160 und den aktiven Mesastrukturen 181 angeordnet sein.
  • 2C zeigt die Wärmesenkenstrukturen 170, die mit einem Kühlkörper außerhalb des Halbleiterkörpers 100 thermisch verbunden sind. Gemäß der veranschaulichten Ausführungsform erstrecken sich Wärmekontaktstrukturen 315c von der ersten Lastelektrode 310 durch das Zwischenschichtdielektrikum 210 zu den oder in die Wärmesenkenstrukturen 170. Die Wärmesenkenstrukturen 170 können thermisch hochleitfähige und elektrisch nicht leitfähige Materialien umfassen oder können eine geschichtete Struktur mit einem thermisch hochleitfähigen dielektrischen Bereich 171 aufweisen, der einen thermisch und elektrisch hochleitfähigen zentralen Bereich 175 der Wärmesenkenstrukturen 170 vom Halbleiterkörper 100 trennt, wie in 2D veranschaulicht ist.
  • 2E bezieht sich auf eine Ausführungsform, wobei alle Grabenstrukturen mit Ausnahme der Gatestrukturen 150 als Wärmesenkenstrukturen 170 mit einem thermisch hochleitfähigen dielektrischen Bereich 171 wirksam sind, der einen elektrisch und thermisch hochleitfähigen zentralen Bereich 175 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Feldplattenkontaktstrukturen 315b können als die Wärmekontaktstrukturen 315c der 2C und 2D wirksam sein und die zentralen Bereiche 175 mit der ersten Lastelektrode 310 so elektrisch und thermisch verbinden, dass die Wärmesenkenstrukturen 170 als Feldplattenstrukturen wirksam sind.
  • Die Materialien und die interne Gestaltung der Gateelektrode 155 können sich von der Materialgestaltung der zentralen Bereiche 175 der Wärmesenkenstrukturen 170 unterscheiden oder können diesen gleich sein. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Materialgestaltung des Gatedielektrikums 151 sich von derjenigen des dielektrischen Teils 171 der Wärmesenkenstrukturen 170 unterscheiden oder kann dieser gleich sein.
  • 3A bis 3I beziehen sich auf Ausführungsformen mit einer Wärmesenkenfüllung 173, die thermische Energie innerhalb einer äußeren Kontur des Halbleiterkörpers 100 dissipiert, indem thermische Energie lokal in chemische oder physikalische Bindungsenergie umgewandelt wird, zum Beispiel indem die Phase eines geeigneten Materials von einem Niederenergiezustand in einen Hochenergiezustand geändert wird. Die Phasenänderung kann eine Phasenänderung von Fest nach Fest mit einer Phasenänderungstemperatur zwischen der nominellen Betriebstemperatur und einer kritischen Temperatur sein, bei welcher der Kristall des Halbleiterkörpers 100 irreversibel zerstört wird.
  • Die Phasenänderung kann derart reversibel sein, dass sich das PCM in den Anfangszustand zurück wandelt, wenn der umgebende Halbleiterkörper 100 sich auf die Temperatur des nominellen Betriebsmodus abkühlt und die Wärmesenkenfüllung 173 thermische Energie zurück an den Halbleiterkörper 100 abgibt. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Phasenänderung irreversibel sein, so dass die Halbleitervorrichtung 500 nur einer bestimmten Anzahl von Kurzschlüssen, Überstromzuständen und/oder Lawinendurchbrüchen standhält.
  • In jeder der 3A bis 3I können sowohl die Gatestrukturen 150 als auch die Wärmesenkenstrukturen 170 streifenförmig oder punktförmig sein. Zum Beispiel können die horizontalen Querschnitte von sowohl den Gatestrukturen 150 als auch den Wärmesenkenstrukturen 170 streifenförmig sein, oder beide können punktförmig sein. Gemäß einer Ausführungsform sind die Gatestrukturen 150 streifenförmig und die Wärmesenkenstrukturen 170 sind punktförmig, oder die Gatestrukturen 150 sind punktförmig und die Wärmesenkenstrukturen 170 sind streifenförmig. Im Fall punktförmiger Querschnitte zeigen 3A bis 3I Querschnittsansichten in zwei orthogonalen vertikalen Ebenen.
  • Die Wärmesenkenstrukturen 170 der 3A bis 3I können isoliert sein. Beispielsweise können Bereiche des Zwischenschichtdielektrikums 210 die Wärmesenkenstrukturen 170 bedecken und können die Wärmesenkenstrukturen 170 von leitfähigen Strukturen an der Vorderseite, zum Beispiel der ersten Lastelektrode 310, trennen. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Wärmesenkenstrukturen 170 der 3A bis 3I durch eine thermisch hochleitfähige Verbindung, welche elektrisch nicht leitfähig sein kann, mit einem Kühlkörper außerhalb des Halbleiterkörpers 100 verbunden sein. Der Kühlkörper kann eine der Elektroden der Halbleitervorrichtung 500 sein. Für weitere Details in puncto 3A bis 3I wird auf die Beschreibung der 2A bis 2E verwiesen.
  • In 3A umfasst eine Wärmesenkenstruktur 170 eine homogene Wärmesenkenfüllung 173, welche ein PCM sein oder ein solches enthalten kann. Gemäß einer Ausführungsform ist die Wärmesenkenfüllung 173 ein elektrisch nicht leitfähiges PCM. Die Wärmesenkenfüllung 173 dissipiert lokal thermische Energie, die in der Driftzone 121 erzeugt wird, indem zum Beispiel die Phase eines PCM-Bereichs der Wärmesenkenfüllung 173 reversibel geändert wird.
  • In 3B umfasst die Wärmesenkenstruktur 170 eine Sperr- bzw. Barrierenschicht 174, die die Wärmesenkenfüllung 173 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Die Barrierenschicht 174 ist thermisch hochleitfähig und kann verhindern, dass in der Wärmesenkenfüllung 173 enthaltene Verunreinigungsmittel in den Halbleiterkörper 100 diffundieren. Die Barrierenschicht 174 kann eine polykristalline Diamantschicht sein oder eine solche enthalten, die zum Beispiel durch chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden wird, oder beispielsweise eine anorganische Keramik wie etwa AlN, Bornitrid oder Siliziumnitrid Si3N4. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Barrierenschicht 174 als eine thermisch hochleitfähige Schale für die Wärmesenkenfüllung 173 wirksam sein.
  • Die Wärmesenkenfüllung 173 kann die komplette Wärmesenkenstruktur 170 homogen füllen oder kann die Wärmesenkenstruktur 170 nur teilweise füllen.
  • In 3C ist das Material der Wärmesenkenfüllung 173 so abgeschieden, dass in der Mitte der Wärmesenkenstruktur 170 ein zentraler Zwischenraum 175a ausgebildet wird.
  • In 3D weist die Wärmesenkenstruktur 170 Luftblasen (Lufteinschlüsse) 175b auf.
  • Hohlräume in der Wärmesenkenfüllung 173, zum Beispiel der Zwischenraum 175a oder die Luftblasen 175b, können mit einem Fluid oder zum Beispiel Umgebungsluft gefüllt werden und können eine thermisch-mechanische Beanspruchung reduzieren, die durch die Wärmesenkenfüllung 173 in den Halbleiterkörper 100 eingebracht wird, wenn zum Beispiel die Wärmesenkenfüllung 173 die Phase ändert.
  • Die Wärmesenkenfüllung 173, zum Beispiel ein PCM, kann direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzen. Gemäß den Ausführungsformen der 3E bis 3G kann eine thermisch hochleitfähige Struktur eine thermische Leitung zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der Wärmesenkenfüllung 173 verbessern, wobei die thermisch hochleitfähige Struktur eine durchgehende Schicht sein kann oder getrennte Bereiche umfassen kann, die entlang der Grenzfläche zum Halbleiterkörper 100 ausgebildet sind.
  • In 3E kann ein durchgehender, thermisch hochleitfähiger dielektrischer Bereich 171 die Wärmesenkenfüllung 173 vom Halbleiterkörper 100 trennen. Der dielektrische Bereich 171 kann eine Schicht sein, die beispielsweise Diamant oder diamantartige Materialien, Bornitrid, Aluminiumnitrid und/oder Berylliumoxid enthält.
  • 3F zeigt räumlich getrennte Kohlenstoff-Nanoröhrchen 176a, die sich von einer Grenzfläche zwischen der Wärmesenkenstruktur 170 und dem Halbleiterkörper 100 in die Wärmesenkenstruktur 170 erstrecken. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 176a können senkrecht zur Grenzfläche zwischen der Wärmesenkenstruktur 170 und dem Halbleiterkörper 100 orientiert sein. Die Wärmesenkenfüllung 173 kann ein Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und/oder hohen Wärmekapazität sein, zum Beispiel ein PCM, und kann die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 176a einbetten und/oder kann die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 176a teilweise oder vollständig füllen.
  • Eine Ausbildung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen 176a kann eine Ausbildung von Kristallisationskeimen auf Seitenwänden von Gräben beinhalten, die sich vorübergehend in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Kristallisationskeime können Metallatome enthalten, die als Kristallisationskatalysator effektiv sind, zum Beispiel Eisen-(Fe-), Kobalt-(Co-) oder Nickel-(Ni-)Atome. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden dann mittels CVD (chemische Gasphasenabscheidung) unter Verwendung eines Kohlenwasserstoffgases, zum Beispiel Ethin, als Vorläufermaterial bei einer Temperatur von etwa 700°C aufgewachsen. Ein Plasma kann ein Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhrchen fördern. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen 176a verbessern eine thermische Leitung vom Halbleiterkörper 100 in die Wärmesenkenstruktur 170 und innerhalb der Wärmesenkenstruktur 170 drastisch.
  • In 3G können isolierte, thermisch hochleitfähige Diamantkristallite 176b entlang der Grenzfläche zwischen der Wärmesenkenstruktur 170 und dem Halbleiterkörper 100 ausgebildet werden. Ein mittlerer Durchmesser der Diamantkristallite 176b kann zwischen 50 nm und 2 μm, zum Beispiel in einem Bereich von 100 nm bis 1 μm, liegen. Indem der mittlere Durchmesser der Diamantkristallite 176b an ein spezifisches Layout, zum Beispiel an eine horizontale Abmessung der Wärmesenkenstruktur 170, angepasst wird, können die gesamte thermische Leitfähigkeit und Ansprechzeit der Wärmesenkenstruktur 170 genau eingestellt werden. Die Diamantkristallite 176b können bei Temperaturen in einem Bereich von 500°C bis 1200°C bei einem Druck unterhalb 760 Torr unter Verwendung von Kohlenwasserstoff-Vorläufern, zum Beispiel Methan, in Anwesenheit überschüssiger Wasserstoffradikale gebildet werden. Die Wasserstoffradikale können in einem Plasma oder an einem erhitzten Wolfram-(W-)Draht gebildet werden. Eine Abscheidung der Diamanten kann beschleunigt werden, indem Diamantimpfkristallite hinzugefügt oder indem Gitterdefekte im Halbleiterkörper 100 erzeugt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu thermisch hochleitfähigen Strukturen 176a, 176b, die entlang der Grenzfläche zwischen der Wärmesenkenstruktur 170 und dem Halbleiterkörper 100 ausgebildet werden, können die Wärmesenkenstrukturen 170 thermisch hochleitfähige Hilfs- bzw. Zusatzstrukturen enthalten, die innerhalb der Wärmesenkenfüllung 173 eingebettet sind.
  • In 3H bettet die Wärmesenkenfüllung 173 Diamantkristallite 177a ein.
  • Die in 3I veranschaulichte Wärmesenkenstruktur 170 bettet thermisch hochleitfähige Graphenflocken bzw. -plättchen 177b ein, welche Graphenblätter sein können.
  • Zusammengesetzte Wärmesenkenstrukturen 170, die PCM enthalten, das Diamantkristallite oder Graphenblätter einbettet, können durch einen Sol-Gel-Prozess oder durch Füllen temporärer Gräben im Halbleiterkörper 100 mit Lösungen oder Suspensionen und anschließendes Trocknen der Lösungen oder Suspensionen in den Gräben gebildet werden. Wärmesenkenstrukturen 170, die eine elektrisch hochleitfähige Wärmesenkenfüllung 173 und einen thermisch hochleitfähigen, durchgehenden dielektrischen Bereich 171 umfassen, können als Feldplattenstrukturen 160 und/oder als Gatestrukturen 150 genutzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform enthält die Wärmesenkenfüllung 173 keramische PCM-Partikel mit einer Phasenänderung von Fest nach Fest bei einer Temperatur zwischen der normalen Betriebstemperatur der Halbleitervorrichtung 500 und einer kritischen Temperatur, bei welcher das Kristallgitter des Halbleiterkörpers 100 irreversibel geschädigt wird. Eine Größe der keramischen PCM-Partikel kann in einem Bereich von einigen Nanometer bis einige Mikrometer liegen. Die keramischen PCM-Partikel können Kohlenstoff-Nanoröhrchen einbetten, können darin eingebettet sein oder daran angebracht oder darin eingebettet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist das PCM Germaniumtellur (GeTe) mit einer Phasenänderungstemperatur zwischen 350 und 400 Grad Celsius.
  • Die Wärmesenkenfüllung 173 kann Kern/Schalenstrukturen mit einer Schale aus thermisch hochleitfähigem Material, zum Beispiel einer Aluminiumnitridkeramik, enthalten. Die Schale kapselt ein PCM ein. Eine dünne dielektrische Schicht aus einem wärmebeständigen Polymer wie etwa Polyimid kann die Schale bedecken und einhüllen.
  • In 4A bis 4B geben die Wärmesenkenstrukturen 170 die thermische Energie an einen Kühlkörper 340 außerhalb des Halbleiterkörpers 100 ab, wobei eine thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstrukturen 170 höher als in den Gatestrukturen 150 ist.
  • In 4A umfasst die Wärmesenkenstruktur 170 einen dielektrischen Bereich 171 aus einem thermisch hochleitfähigen Material wie etwa Diamant, einem diamantartigen Material, Bornitrid, Aluminiumnitrid und/oder Berylliumoxiden. Der dielektrische Bereich 171 leitet thermische Energie vom Halbleiterkörper 100 zu einem elektrisch hochleitfähigen zentralen Bereich 175, welcher hochdotiertes polykristallines Silizium sein kann, zum Beispiel das gleiche Material, wie es als Gateelektrode oder Feldplatte genutzt wird. Eine Wärmekontaktstruktur 315c verbindet den elektrisch hochleitfähigen zentralen Bereich 175 thermisch mit einem Kühlkörper 340 außerhalb des Halbleiterkörpers 100. Der Kühlkörper 340 kann eine der Elektroden der Halbleitervorrichtung 500 oder eine Metallisierung sein, die von den elektrisch aktiven Elektroden der Halbleitervorrichtung 500 elektrisch getrennt ist. Der Kühlkörper 340 kann zum Beispiel ein Bereich bzw. Teil der ersten Lastelektrode 310 sein.
  • Materialien für den dielektrischen Bereich 171 können ausschließlich in zweckbestimmten Wärmesenkenstrukturen 170 oder auch als Felddielektrikum in Feldplattenstrukturen und/oder auch als Gatedielektrikum in Gatestrukturen genutzt werden.
  • Zusätzlich oder alternativ zu einem thermisch hochleitfähigen dielektrischen Bereich 171 kann die Wärmesenkenstruktur 170 einen aus Siliziumcarbid (SiC) gebildeten zentralen Bereich 175 umfassen, welcher eine höhere thermische Leitfähigkeit als polykristallines Silizium aufweist. Während einer Abscheidung von Siliziumcarbid kann der Kohlenstoffgehalt variiert werden, um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen. Siliziumcarbid kann ausschließlich in den Wärmesenkenstrukturen 170 genutzt werden oder kann auch als Feldplatte und/oder als Gateelektrode genutzt werden.
  • Die Wärmesenkenstruktur 170 von 4B enthält einen dielektrischen Bereich 171, welcher dünner als das Gatedielektrikum 151 ist, so dass in der Wärmesenkenstruktur 170 der thermische Widerstand zwischen dem Halbleiterkörper 100 und dem elektrisch hochleitfähigen zentralen Bereich 175 geringer ist als zwischen dem Halbleiterkörper 100 und der Gateelektrode 155. Die Wärmesenkenstruktur 170 kann als Feldplattenstrukturen wirksam sein. Eine relative Permittivität des dielektrischen Bereichs 171 kann geringer als diejenige von Siliziumoxid sein, so dass bei gleicher Kapazität die thermische Leitfähigkeit des dielektrischen Bereichs 171 geringer als diejenige des Gatedielektrikums 151 ist.
  • 5A zeigt einen n-IGFET 501, der auf einer beliebigen der vorherigen Ausführungsformen basiert. Für die veranschaulichten Ausführungsformen ist ein erster Leitfähigkeitstyp ein n-Typ, und ein zweiter Leitfähigkeitstyp ist ein p-Typ. Ähnliche Betrachtungen, wie sie im Folgenden skizziert werden, finden Anwendung auf Ausführungsformen, bei denen der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist.
  • Die Sourcezonen 110 und die Sockelschicht 130 sind stark n-dotiert, die Driftzone 121 ist geringfügig n-dotiert, und die Feldstoppschicht 129 hat eine Netto-Dotierstoffkonzentration von n-Typ-Dotierstoffen, die höher als in der Driftzone 121 und geringer als in der Sockelschicht 130 ist. Die Bodyzonen 115 sind vom p-Typ. Die erste Lastelektrode 310 bildet einen Sourceanschluss S oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden, und die zweite Lastelektrode 320 bildet einen Drainanschluss D oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden. Eine vertikale Ausdehnung der Gatestrukturen 150 kann die gleiche wie eine vertikale Ausdehnung der Feldplattenstrukturen 160, welche als Wärmesenkenstrukturen 170 effektiv sein können, sein oder kann kleiner als diese sein.
  • 5B bezieht sich auf einen rückwärts sperrenden n-Kanal-IGBT 502. Die Sockelschicht 130 ist p-dotiert, und die Driftstruktur 120 kann eine Sperr- bzw. Barrierenschicht umfassen, die zumindest teilweise entlang dem ersten pn-Übergang pn1 ausgebildet ist, wobei eine Netto-Dotierstoffkonzentration vom n-Typ in der Barrierenschicht 125 höher als in angrenzenden Bereichen der Driftzone 121 ist. Eine laterale Breite von zumindest den Gatestrukturen 150 kann einen maximalen Wert in einer Distanz zur ersten Oberfläche 101 aufweisen. Die erste Lastelektrode 310 bildet einen Emitteranschluss E oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden, und die zweite Lastelektrode 320 bildet einen Kollektoranschluss C oder ist mit einem solchen elektrisch verbunden.
  • 5C bezieht sich auf einen RC-IGBT 503, welcher sich vom rückwärts sperrenden bzw. Reverse-Blocking-IGBT von 5A insofern unterscheidet, als die Sockelschicht 130 sowohl erste Zonen 131 vom n-Typ als auch zweite Zonen 132 vom p-Typ aufweist. Außerdem können weitere Kontaktstrukturen die inaktiven bzw. Idle-Mesastrukturen 182 elektrisch verbinden.
  • 6A zeigt einen Bereich einer Halbleitervorrichtung 500, welche zum Beispiel eine Leistungshalbleiterdiode wie etwa eine MGD (MOS-gategesteuerte Diode), ein IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate), zum Beispiel ein MOSFET (Metal-Oxid-Halbleiter-FET) in der gewöhnlichen Bedeutung, einschließlich FETs mit Metall-Gate und FETs mit Halbleiter-Gate, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), zum Beispiel ein rückwärts sperrender bzw. Reverse-Blocking-IGBT oder ein rückwärts leitender bzw. Reverse-Conducting-IGBT, oder eine Vorrichtung sein kann, die weitere elektronische Schaltungen zusätzlich zu einer MGD-, IGFET- oder IGBT-Funktionalität enthält.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 enthält Transistorzellen TC, wobei halbleitende Bereiche der Transistorzellen TC entlang einer Vorderseite eines Halbleiterkörpers 100 ausgebildet sind, welcher aus einem kristallinen Halbleitermaterial wie etwa Silizium (Si), Germanium (Ge), Silizium-Germanium (SiGe) oder einem AIIIBV-Halbleiter besteht. Der halbleitende Bereich einer Transistorzelle umfasst eine Bodyzone, die einen ersten pn-Übergang mit einer Driftstruktur 120 und einen zweiten pn-Übergang mit einer Sourcezone ausbildet.
  • Eine Distanz zwischen einer ersten Oberfläche 101 an der Vorderseite des Halbleiterkörpers 100 und einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 102 an einer Rückseite kann zwischen 20 μm und mehreren 100 μm betragen. An der Vorderseite bilden Sourcekontaktstrukturen 315a ohmsche Kontakte zwischen einer ersten Lastelektrode 310 und den Sourcezonen sowie zwischen der ersten Lastelektrode 310 und den Bodyzonen der Transistorzellen TC, wobei die Sourcekontaktstrukturen 315a direkt an die erste Oberfläche 101 grenzen oder sich in den Halbleiterkörper 100 erstrecken können.
  • An der Rückseite kann eine zweite Lastelektrode 320 direkt an die zweite Oberfläche 102 grenzen. Im Halbleiterkörper 100 kann eine zwischen der Driftstruktur 120 und der zweiten Lastelektrode 320 sandwichartig angeordnete Sockelschicht 130 einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Lastelektrode 320 bilden.
  • Wärmesenkenmerkmale 325 können sich von der zweiten Oberfläche 102 an der Rückseite in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können gleichmäßig beabstandet sein oder können in Bereichen des Halbleiterkörpers 100 mit geringerer thermischer Kopplung zu anderen wärmeleitfähigen Strukturen und/oder mit höherer Wärmeerzeugungsrate dichter angeordnet sein. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können mit der zweiten Lastelektrode 320 thermisch und elektrisch verbunden sein. Eine vertikale Ausdehnung der Wärmesenkenmerkmale 325 kann zumindest 10% der Dicke des Halbleiterkörpers 100, zum Beispiel etwa 20%, etwa 50%, betragen oder kann ausgewählt werden, um sich dem ersten pn-Übergang pn1 anzunähern. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Wärmesenkenmerkmale 325 sich von der zweiten Hauptoberfläche 102 zur ersten Oberfläche 101 erstrecken.
  • Die Wärmesenkenmerkmale 325 können parallele Streifenstrukturen sein, die entlang einer horizontalen Richtung parallel zur ersten Oberfläche 101 verlaufen. Gemäß einer anderen Ausführungsform können zwei orthogonale horizontale Abmessungen eines Wärmesenkenmerkmals 325 parallel zur ersten Oberfläche 101 innerhalb der gleichen Größenordnung liegen, zum Beispiel annähernd gleich sein, wobei die Wärmesenkenmerkmale 325 in orthogonalen Zeilen und Reihen angeordnet sein können. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können Aluminium (Al), Silber (Ag), Kupfer (Cu), Legierungen von Aluminium und/oder Kupfer, Siliziumcarbid (SiC), hochdotiertes, zum Beispiel co-dotieres polykristallines Silizium, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen einbettendes Material enthalten oder daraus bestehen. Die Wärmesenkenmerkmale 325 leiten thermische Energie direkt von dort ab, wo thermische Energie im Halbleiterkörper 100 im Fall eines Überstromzustands oder eines Lawinendurchbruchs erzeugt wird. Die Wärmesenkenmerkmale 325 verbessern eine thermische Widerstandsfähigkeit der Halbleitervorrichtung 500 bei geringem nachteiligem Einfluss auf weitere Vorrichtungsparameter.
  • Die Transistorzellen TC können planare Transistorzellen mit Gateelektroden sein, die auf der ersten Oberfläche 101 und außerhalb des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet sind.
  • 6B bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung 500 mit Grabenstrukturen 190, die Gatestrukturen enthalten und die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Halbleitende Bereiche der Transistorzellen TC sind in Bereichen des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet, die direkt an die Grabenstrukturen 190 grenzen. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können außerhalb einer – bezüglich der ersten Oberfläche 101 – vertikalen Projektion der Transistorzellen TC ausgebildet sein und können in einer lateralen Distanz zu den Transistorzellen TC ausgebildet sein.
  • Wärmesenkenmerkmale 325 können zwischen jedem Paar benachbarter Grabenstrukturen 190 oder in ausgewählten Gebieten des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet sein, wobei in Gebieten außerhalb der ausgewählten Gebiete die Transistorzellen TC direkt aneinander grenzen können.
  • Die zweite Lastelektrode 320 und die Wärmesenkenmerkmale 325 können die gleichen Materialien enthalten und können die gleiche Materialgestaltung aufweisen oder können auf verschiedenen Materialien und/oder verschiedenen Materialkombinationen basieren.
  • 7A bis 7C beziehen sich auf eine Ausführungsform mit gleichmäßig beabstandeten streifenförmigen Wärmesenkenmerkmalen 325, die sich von der Rückseite in einen Halbleiterkörper 100 einer Halbleitervorrichtung 500 erstrecken, welche beispielsweise eine MGD, ein IGFET oder ein IGBT sein kann. Der Halbleiterkörper 100 basiert auf einem kristallinen Halbleitermaterial, zum Beispiel Si, Ge, SiGe oder einem AIIIBV-Halbleiter. An einer Vorderseite weist der Halbleiterkörper 100 eine erste Oberfläche 101 auf, welche durch eine Ebene definiert sein kann, die durch koplanare obere Oberflächen von Mesastrukturen 180 aufgespannt wird, die von Abschnitten des Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Grabenstrukturen 190 gebildet werden. Eine planare zweite Oberfläche 102 an der gegenüberliegenden Rückseite ist zur ersten Oberfläche 101 parallel. Richtungen parallel zur ersten Oberfläche 101 sind horizontale Richtungen, und eine Richtung senkrecht zur ersten Oberfläche 101 ist eine vertikale Richtung.
  • Eine minimale Distanz zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 wird so ausgewählt, dass ein bestimmtes Spannungssperrvermögen der Halbleitervorrichtung 500 erzielt wird, und kann zumindest 15 μm betragen. Die Distanz zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 kann zum Beispiel in einem Bereich von 20 μm bis 60 μm liegen.
  • In einer Ebene senkrecht zur Querschnittsebene kann der Halbleiterkörper 100 eine rechteckige Form mit einer Kantenlänge im Bereich mehrerer Millimeter aufweisen. Eine Normale zur ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zur vertikalen Richtung sind horizontale Richtungen.
  • Im Halbleiterkörper 100 ist eine Sockelschicht 130 sandwichartig zwischen einer Driftstruktur 120 und der zweiten Oberfläche 102 angeordnet. Die Sockelschicht 130 kann den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Driftstruktur 120, einen komplementären Leitfähigkeitstyp aufweisen oder kann Zonen beider Leitfähigkeitstypen enthalten. In der Sockelschicht 130 ist eine Dotierstoffkonzentration entlang der zweiten Oberfläche 102 ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit einer in direktem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 102 gebildeten Metallschicht zu schaffen.
  • Die Driftstruktur 120 kann eine gering dotierte Driftzone 121 und eine höher dotierte Puffer- oder Feldstoppzone 129 umfassen, die sandwichartig zwischen der Driftzone 121 und der Sockelschicht 130 angeordnet ist. Eine Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann mit zunehmender Distanz zur ersten Oberfläche 101 zumindest in Bereichen ihrer vertikalen Ausdehnung allmählich oder in Stufen zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 annähernd gleichmäßig sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann zwischen 1E12 cm–3 und 1E17 cm–3, zum Beispiel in einem Bereich von 5E12 cm–3 bis 5E16 cm–3, liegen. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Puffer- oder Feldstoppzone 129 ist zumindest dreimal, zum Beispiel mindestens fünfmal, so hoch wie die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121.
  • Grabenstrukturen 190 erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100. Eine vertikale Ausdehnung der Grabenstrukturen 190 kann von 300 nm bis 15 μm, zum Beispiel von 1 μm bis 10 μm, reichen. Eine laterale Breite der Mesastrukturen 180 kann von 0,05 μm bis 10 μm, zum Beispiel von 0,15 μm bis 2 μm, reichen. Die Grabenstrukturen 190 können die gleiche vertikale Ausdehnung aufweisen oder können verschiedene vertikale Ausdehnungen aufweisen.
  • Die Grabenstrukturen 190 können zumindest Gatestrukturen 150 enthalten, die eine leitfähige Gateelektrode 155 und ein Gatedielektrikum 151 umfassen, das die Gateelektrode 155 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Die Gateelektrode 155 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur aufweisen, die eine oder mehrere metallhaltige Schichten umfasst. Gemäß einer Ausführungsform kann die Gateelektrode 155 eine hochdotierte polykristalline Siliziumschicht enthalten oder daraus bestehen.
  • Das Gatedielektrikum 151 kann beispielsweise ein Halbleiteroxid, zum Beispiel ein thermisch gewachsenes oder abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, zum Beispiel ein abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxinitrid, zum Beispiel Siliziumoxinitrid, enthalten oder daraus bestehen.
  • Die Grabenstrukturen 190 können ferner Feldplattenstrukturen 160 zwischen den Gatestrukturen 150 und einem Boden der Grabenstrukturen 190 enthalten. Die Feldplattenstrukturen 160 umfassen eine leitfähige Feldplatte 165 und ein Felddielektrikum 161, das die Feldplatte 165 vom Halbleiterkörper 100 trennt. Die Feldplatte 165 kann eine homogene Struktur oder kann eine geschichtete Struktur sein, die eine oder mehrere metallhaltige Schichten umfasst. Gemäß einer Ausführungsform kann die Feldplatte 165 eine hoch dotierte polykristalline Siliziumschicht enthalten oder daraus bestehen. Materialien und interne Gestaltung der Gateelektrode 155 und der Feldplatte 165 können gleich sein. Die Feldplatte 165 kann mit einer der Lastelektroden der Halbleitervorrichtung 500, mit der Gateelektrode 155 oder mit einem Feldplattenanschluss, der von den Lastanschlüssen und dem Gateanschluss elektrisch getrennt ist, elektrisch verbunden sein.
  • Das Felddielektrikum 151 kann beispielsweise ein Halbleiteroxid, zum Beispiel ein thermisch gewachsenes oder abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, zum Beispiel ein abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxinitrid, zum Beispiel Siliziumoxinitrid, enthalten oder daraus bestehen. Materialien und interne Gestaltung des Felddielektrikums 161 und des Gatedielektrikums 151 können gleich sein.
  • Halbleitende Bereiche von Transistorzellen TC sind in den Mesastrukturen 180 ausgebildet, die die Grabenstrukturen 190 voneinander trennen. Die Mesastrukturen 180 umfassen Bodyzonen 115 und Sourcezonen 110, wobei die Bodyzonen 115 erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftstruktur 120 und zweite pn-Übergänge pn2 mit den Sourcezonen 110 bilden.
  • Ein Zwischenschichtdielektrikum 210 kann auf der ersten Oberfläche 101 ausgebildet sein. Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann eine oder mehrere Schichten aus einem Halbleiteroxid, zum Beispiel Siliziumoxid, Halbleiternitrid, zum Beispiel Siliziumnitrid, oder Halbleiteroxinitrid, zum Beispiel Siliziumoxinitrid, enthalten, welche auf dem Halbleiterkörper 100 thermisch aufgewachsene oder abgeschiedene Schichten sein können, und/oder eine oder mehrere Schichten aus dotiertem oder undotiertem Glas, zum Beispiel BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas), BPSG (Borphosphorsilikatglas), FSG (Fluorosilikatglas), USG (undotiertem Silikatglas) oder ein Spin-on-Glas.
  • Eine erste Lastelektrode 310 ist auf dem Zwischenschichtdielektrikum 210 so ausgebildet, dass das Zwischenschichtdielektrikum 210 zwischen der ersten Lastelektrode 310 und dem Halbleiterkörper 100 sandwichartig angeordnet ist. Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1, welcher beispielsweise ein Emitteranschluss eines IGBT, ein Sourceanschluss eines FET oder ein Anodenanschluss einer Leistungshalbleiterdiode sein kann, bilden oder kann mit einem solchen elektrisch gekoppelt oder verbunden sein.
  • Sourcekontaktstrukturen 315a erstrecken sich von der ersten Lastelektrode 310 durch das Zwischenschichtdielektrikum 210 zu dem oder in den Halbleiterkörper 100 und verbinden die Sourcezonen 110 und die Bodyzonen 115 in den Mesastrukturen 180 elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310.
  • Eine zweite Lastelektrode 320, die direkt an die Sockelschicht 130 und die zweite Oberfläche 102 grenzt, kann einen zweiten Lastanschluss L2, welcher beispielsweise ein Kollektoranschluss eines IGBT, ein Drainanschluss eines FET oder ein Kathodenanschluss einer Leistungshalbleiterdiode sein kann, bilden oder kann mit einem solchen elektrisch gekoppelt oder verbunden sein.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil(e) aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu), oder Legierungen von 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), 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 enthalten, wobei jede Teilschicht ein oder mehr von Ni, Ti, Ag, Au, Pt, W und Pd als Hauptbestandteil(e), zum Beispiel ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung, enthält.
  • Streifenförmige Wärmesenkenmerkmale 325 erstrecken sich von der Rückseite in den Halbleiterkörper 100. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können dielektrische oder schwach leitfähige Strukturen sein, die homogen oder geschichtet sein können, wobei dielektrische oder schwach leitfähige Bereiche einen elektrisch hochleitfähigen Bereich vom Halbleiterkörper 100 trennen. Zumindest eines der Materialien der Wärmesenkenmerkmale 325 kann eine signifikant höhere spezifische Wärmekapazität als der Halbleiterkörper 100 aufweisen. Zum Beispiel können die Wärmesenkenmerkmale 325 ein elektrisch nicht leitfähiges PCM (Phasenänderungsmaterial) aufweisen, welches direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzen kann und welches thermisch hochleitfähige Einschlüsse wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Diamantpartikel und/oder Graphenpartikel einbetten kann. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können zum Beispiel eine beliebige der Gestaltungen aufweisen, die mit Verweis auf die Wärmesenkenstrukturen 170 der 3A bis 3I beschrieben wurden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Wärmesenkenmerkmale 325 einen elektrisch leitfähigen Bereich umfassen oder daraus bestehen, wobei die Wärmesenkenmerkmale 325 ein Material mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als der Halbleiterkörper 100 enthalten. Das Material der Wärmesenkenmerkmale 325 kann zum Beispiel Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen einbettendes Material sein oder ein solches enthalten. Gemäß einer Ausführungsform ist das Material der Wärmesenkenmerkmale 325 hoch-p-dotiertes, n-dotiertes oder co-dotiertes polykristallines Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration, die höher als 2E19 cm–3, zum Beispiel höher als 3E19 cm–3 oder höher als 6E19 cm–3, ist. Das Material der Wärmesenkenmerkmale 325 kann direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzen oder kann zumindest teilweise gegen den Halbleiterkörper 100 zum Beispiel durch einen dielektrischen Bereich mit hoher thermischer Leitfähigkeit isoliert sein.
  • In der veranschaulichten Ausführungsform weisen alle Wärmesenkenmerkmale 325 die gleiche vertikale Ausdehnung auf. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die vertikale Ausdehnung der Wärmesenkenmerkmale 325 lokal variieren. Die vertikale Ausdehnung der Wärmesenkenmerkmale 325 kann so ausgewählt werden, dass die Wärmesenkenmerkmale 325 nicht mit den Grabenstrukturen 190 entlang der vertikalen Achse überlappen. In der veranschaulichten Ausführungsform überlappen die Wärmesenkenmerkmale 325 mit den Grabenstrukturen 190 und grenzen direkt an die Feldplattenstrukturen 160 in den Grabenstrukturen 190.
  • Die Ausführungsformen der 7A bis 7C beziehen sich auf Wärmesenkenmerkmale 325, die vollständig aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind, das direkt an Bereiche der Driftzone 121 im Halbleiterkörper 100 grenzt.
  • Wie in 7A veranschaulicht ist, können sich Teilgebiete, die Transistorzellen TC enthalten, und Teilgebiete zum Kühlen entlang einer horizontalen Richtung orthogonal zu einer Längsachse der streifenförmigen Grabenstrukturen 190 abwechseln.
  • Inaktive bzw. Idle-Mesastrukturgebiete 185 in der vertikalen Projektion der Wärmesenkenmerkmale 325 können einen Hilfs- bzw. Zusatzbereich 121a der Driftzone 121 umfassen, der direkt an die erste Oberfläche 101 grenzt. Bereiche der Bodyzone 115 oder eine isolierende Struktur können die Zusatzbereiche 121a der Driftzone 121 von benachbarten Sourcezonen 110 in der horizontalen Richtung isolieren.
  • Für Halbleitervorrichtungen 100 mit einer Sperrspannung in einem Bereich von 20 V bis 60 V kann zum Beispiel eine Distanz zwischen benachbarten Wärmesenkenmerkmalen 325 oder zwischen Wärmesenkenmerkmalen 325 und benachbarten Bodyzonen 115 in einem Bereich von 1 μm bis 4 μm liegen. Verteilung, Abmessungen und Materialien der Wärmesenkenmerkmale 325 können ausgewählt werden, um eine Waferkrümmung in einem gewissen Maße lokal zu kompensieren oder um eine Ladungsträgermobilität lokal zu verbessern.
  • Die Ausführungsform der 8A bis 8C bezieht sich auf Wärmesenkenmerkmale 325, die sich von der zweiten Oberfläche 102 bis zur ersten Oberfläche 101 erstrecken. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können einen elektrisch leitfähigen Bereich 325a und einen dielektrischen Bereich 325b umfassen, der den elektrisch leitfähigen Bereich 325a horizontal von zumindest Abschnitten der halbleitenden Bereiche der Transistorzellen TC, zum Beispiel von den Sourcezonen 110 und den Bodyzonen 115 und dem ersten pn-Übergang pn1 elektrisch trennt. Das Material des dielektrischen Bereichs 325b kann eine höhere thermische Leitfähigkeit als Siliziumoxid aufweisen.
  • Das Gatedielektrikum 151 kann erste Bereiche 151a, die die Gateelektrode 155 von den Bodyzonen 115 elektrisch trennen, und zweite Bereiche 151b umfassen, die die Gateelektrode 155 von den Wärmesenkenmerkmalen 325 elektrisch trennen. Die zweiten Bereiche 151b des Gatedielektrikums 151 sind signifikant dicker als die ersten Bereiche 151a. Eine Dicke der zweiten Bereiche 151b kann annähernd gleich einer Dicke des Felddielektrikums 161 sein. Für weitere Details wird auf die Beschreibung der 7A bis 7C verwiesen.
  • In 9A bis 9C umfasst die Halbleitervorrichtung 500 säulenartige Wärmesenkenmerkmale 325, die in orthogonalen Zeilen und Reihen angeordnet sind. Die Wärmesenkenmerkmale 325 können von einer vertikalen Projektion der Grabenstrukturen 190 horizontal beabstandet sein. Für weitere Details wird auf die Beschreibung der 7A bis 7C verwiesen.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 in 10A bis 10C umfasst streifenförmige Wärmesenkenmerkmale 325, die sich von der Vorderseite in die Driftstruktur 120 erstrecken und einen dielektrischen Bereich 325b umfassen, der einen elektrisch leitfähigen Bereich 325a horizontal von zumindest Abschnitten der Bodyzonen 115 nahe den ersten pn-Übergängen pn1 und von Bereichen der Driftstruktur 120 elektrisch trennt.
  • Die leitfähigen Bereiche 325a oder die kompletten Wärmesenkenmerkmale 325 sind von der zweiten Lastelektrode 320 getrennt. Stattdessen können die Wärmesenkenmerkmale 325 mit der ersten Lastelektrode 310 oder mit einer anderen Metallstruktur an der Vorderseite thermisch und elektrisch verbunden sein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Wärmesenkenstrukturen 325 eine höhere Wärmekapazität als der Halbleiterkörper 100 aufweisen, wobei die Wärmesenkenstrukturen 325 nicht leitfähig sein können oder leitfähige Bereiche ohne elektrische Verbindung mit einer der Lastelektroden 310, 320 der Halbleitervorrichtung 500 umfassen können.
  • Gemäß einer Ausführungsform können die vorderseitigen Wärmesenkenmerkmale 325 eine beliebige der mit Verweis auf die Wärmesenkenstrukturen 170 der 3A bis 3I beschriebenen Gestaltungen aufweisen. Beispielsweise können die Wärmesenkenmerkmale 325 ein elektrisch nicht leitfähiges PCM enthalten, das direkt an den Halbleiterkörper 100 grenzen kann und welches thermisch hochleitfähige Einschlüsse wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Diamantpartikel und/oder Graphenpartikel einbetten kann.
  • Wärmesenkenmerkmale 325, die wie mit Verweis auf 10A bis 10C beschrieben an der Vorderseite ausgebildet sind, können mit Wärmesenkenmerkmalen 325 an der Rückseite kombiniert werden, wie sie mit Verweis auf 7A bis 7C und 9A bis 9C beschrieben wurden, wobei die vorderseitigen und rückseitigen Wärmesenkenmerkmale wie kammartige Strukturen ausgebildet sein können, die zueinander so verschoben sind, dass Zähne einer kammartigen Struktur zu Lücken in der anderen kammartigen Struktur und umgekehrt eingestellt bzw. ausgerichtet sind.
  • Die Anordnung von sowohl vorderseitigen Wärmesenkenmerkmalen als auch rückseitigen Wärmesenkenmerkmalen 325 kann regelmäßig sein, so dass eine Populations- bzw. Bestandsdichte der Wärmesenkenmerkmale 325 über eine komplette horizontale Querschnittsfläche des Halbleiterkörpers 100 konstant ist.
  • Gemäß der Ausführungsform der 11A bis 11C ist die Verteilung von Wärmesenkenmerkmalen 325 für eine angenommene thermische Verteilung im Halbleiterkörper 100 ohne Wärmesenkenmerkmale 325 geeignet bzw. angepasst. Beispielsweise ist bei Fehlen jeglicher Wärmesenkenmerkmale 325 in ersten Abschnitten 610 des Halbleiterkörpers 100 entlang Kanten eines Transistorzellengebiets nahe einer lateralen äußeren Oberfläche 103 des Halbleiterkörpers 100 oder unter Bonddrähten eine Temperatur des Halbleiterkörpers 100 geringer als in zweiten Abschnitten 620, die zentrale Bereiche des Transistorzellengebiets in einer Distanz zu den Bonddrähten umfassen. Eine Bestandsdichte der Wärmesenkenmerkmale 325 in den zweiten Abschnitten 620 ist dann höher als in den ersten Abschnitten 610, um eine bessere Kühlung der heißeren zweiten Abschnitte bezüglich der kühleren ersten Abschnitte zu fördern und eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Halbleiterkörper 100 zu erzielen.
  • Die Bestandsdichte der Wärmesenkenmerkmale 325 kann von den ersten Abschnitten 610 zu den zweiten Abschnitten in Übergangsabschnitten 615 zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 610, 620 allmählich zunehmen. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Wärmesenkenmerkmale 325 eine laterale Abmessung von etwa 1 μm auf und sind in einer Distanz von 4 μm zueinander in den zweiten Abschnitten und in einer Distanz von 10 μm zueinander in den ersten Abschnitten angeordnet, wobei im Übergangsabschnitt 615 zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 610, 620 die Distanz von 4 μm auf 10 μm allmählich zunehmen kann. Für weitere Details wird auf die Beschreibung der vorherigen Figuren verwiesen.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit Gateelektroden, die in Grabenstrukturen ausgebildet sind, die sich von einer Vorderseite in einen Halbleiterkörper erstrecken, und mit Wärmesenkenmerkmalen, die sich von einer Rückseite in den Halbleiterkörper erstrecken, kann die Ausbildung vorderseitiger Gräben verschiedener vertikaler Ausdehnung an der Vorderseite des Halbleiterkörpers umfassen.
  • Der Halbleiterkörper kann von der Rückseite aus zu einem unteren Rand der tiefsten vorderseitigen Gräben abgedünnt werden. Ein Lithographieprozess kann eine Hartmaske auf der Rückseite des abgedünnten Halbleiterkörpers zum Definieren der Wärmesenkenmerkmale definieren. Unter Verwendung der Hartmaske werden rückseitige Gräben in den Halbleiterkörper geätzt. Materialien für die Wärmesenkenmerkmale werden dann abgeschieden, zum Beispiel eine Diffusionsbarriere für Kupferatome. Die Diffusionsbarriere kann zumindest eine einer Tantalschicht, einer Tantalnitridschicht, einer Titanschicht, einer Titannitridschicht und einer wolframhaltigen Schicht umfassen. Ein Füllmaterial, zum Kupfer Cu oder Wolfram W, kann dann abgeschieden werden, um die rückseitigen Gräben zu füllen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann vor Abscheidung der Diffusionsbarriere oder als Alternative zur Abscheidung die Diffusionsbarriere ein dünnes thermisches Oxid mit einer Dicke von etwa 2 nm bis 5 nm gebildet werden, um die Grenzflächenqualität zwischen dem Halbleiterkörper und der Wärmesenkenstruktur zu verbessern.
  • 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 Umfang 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 (35)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: eine Driftstruktur (120), die in einem Halbleiterkörper (100) ausgebildet ist, wobei die Driftstruktur (120) einen ersten pn-Übergang (pn1) mit einer Bodyzone (115) einer Transistorzelle (TC) bildet; eine Gatestruktur (150), die sich von einer ersten Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) in die Driftstruktur (120) erstreckt; und eine Wärmesenkenstruktur (170), die sich von der ersten Oberfläche (101) in die Driftstruktur (120) erstreckt, wobei (i) eine thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur (170) höher als eine thermische Leitfähigkeit der Gatestruktur (150) ist und/oder (ii) eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur (170) höher als eine Wärmekapazität der Gatestruktur (150) ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine vertikale Ausdehnung der Wärmesenkenstruktur (170) gleich einer vertikalen Ausdehnung der Gatestrukturen (150) ist oder um nicht mehr als 20% davon abweicht.
  3. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Vielzahl der Wärmesenkenstrukturen (170) und eine Vielzahl der Gatestrukturen (150) ein regelmäßiges Streifenmuster bilden.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei Bereiche des Halbleiterkörpers (100) (i) aktive Mesastrukturen (181), die direkt an die Gatestrukturen (150) grenzen, und (ii) inaktive bzw. Idle-Mesastrukturen (182) zwischen benachbarten der Wärmesenkenstrukturen (170) bilden.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: eine von der ersten Oberfläche (101) in die Driftstruktur (120) verlaufende Feldplattenstruktur (160).
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) ein Material mit einer spezifischen thermischen Leitfähigkeit enthält, die eine spezifische thermische Leitfähigkeit einer in der Gatestruktur (150) enthaltenen Gateelektrode (155) um zumindest das Zweifache übertrifft.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) einen zentralen Bereich (175) aus Siliziumcarbid umfasst.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend: eine Wärmekontaktstruktur (315c), die die Wärmesenkenstruktur (170) mit einem Kühlkörper (340) außerhalb des Halbleiterkörpers (100) thermisch verbindet.
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) einen dielektrischen Bereich (171) mit einer spezifischen thermischen Leitfähigkeit enthält, die eine spezifische thermische Leitfähigkeit eines in der Gatestruktur (150) enthaltenen Gatedielektrikums (151) um zumindest das Zweifache übertrifft.
  10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) einen dielektrischen Bereich (171) umfasst, der dünner als ein in der Gatestruktur (150) enthaltenes Gatedielektrikum (151) ist.
  11. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) einen elektrisch leitfähigen zentralen Bereich (175) und einen dielektrischen Bereich (171) umfasst, der den leitfähigen Bereich (175) und den Halbleiterbereich (100) trennt.
  12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) ein Material mit einer spezifischen thermischen Kapazität enthält, die eine spezifische thermische Kapazität einer in der Gatestruktur (150) enthaltenen Gateelektrode (155) um zumindest das Zweifache übertrifft.
  13. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) ein Phasenänderungsmaterial enthält.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) einen Zwischenraum (175a) oder Luftblasen (175b) enthält.
  15. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) thermisch hochleitfähige Strukturen an einer Grenzfläche zum Halbleiterkörper (100) enthält.
  16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 15, wobei die thermisch hochleitfähigen Strukturen zumindest eines von Diamantkristalliten (176a), Kohlenstoff-Nanoröhrchen (176b) und Graphenplättchen (177b) umfassen.
  17. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) eine Wärmesenkenfüllung (173) umfasst, die zumindest eines von Bornitrid und Aluminiumnitrid enthält.
  18. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) einen hochleitfähigen zentralen Bereich (175) umfasst, der von einer in der Gatestruktur (150) enthaltenen Gateelektrode (155) elektrisch getrennt ist.
  19. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) als Feldplattenstruktur (160) wirksam ist.
  20. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, ferner umfassend: eine Sourcekontaktstruktur (315a), die sich von der ersten Oberfläche (101) in die Bodyzone (110) erstreckt, wobei (i) eine thermische Leitfähigkeit der Wärmesenkenstruktur (170) höher als eine thermische Leitfähigkeit der Sourcekontaktstruktur (315a) ist und/oder (ii) eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur (170) höher als eine Wärmekapazität der Sourcekontaktstruktur (315a) ist.
  21. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Wärmesenkenstruktur (170) von der Bodyzone (115) isoliert ist.
  22. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Gatestrukturen (150) streifenförmig sind mit einer ersten horizontalen Ausdehnung, die eine zur ersten horizontalen Ausdehnung orthogonale zweite horizontale Ausdehnung um zumindest ein Zehnfaches übertrifft.
  23. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Gatestrukturen (150) mit einer ersten horizontalen Ausdehnung und einer zur ersten horizontalen Ausdehnung orthogonalen zweiten horizontalen Ausdehnung innerhalb der gleichen Größenordnung punktförmig sind.
  24. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Wärmesenkenstrukturen (170) mit einer ersten horizontalen Ausdehnung, die eine zur ersten horizontalen Ausdehnung orthogonale zweite horizontale Ausdehnung um zumindest ein Zehnfaches übertrifft, streifenförmig sind.
  25. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Wärmesenkenstrukturen (170) mit einer ersten horizontalen Ausdehnung und einer zur ersten horizontalen Ausdehnung orthogonalen zweiten horizontalen Ausdehnung innerhalb der gleichen Größenordnung punktförmig sind.
  26. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterkörper (100), der halbleitende Bereiche einer Transistorzelle (TC) umfasst; eine Sourcekontaktstruktur (315a), die direkt an zumindest eine Sourcezone (110) der Transistorzelle (TC) an einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (100) grenzt; und ein Wärmesenkenmerkmal (325), das sich von einer Rückseite in den Halbleiterkörper (100) erstreckt, wobei (i) eine thermische Leitfähigkeit des Wärmesenkenmerkmals (325) höher als eine thermische Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers (100) ist und/oder (ii) eine Wärmekapazität der Wärmesenkenstruktur (325) höher als eine Wärmekapazität des Halbleiterkörpers (100) ist.
  27. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 26, ferner umfassend: Grabenstrukturen (190), die sich von einer ersten Oberfläche (101) an der Vorderseite in den Halbleiterkörper (100) erstrecken, wobei die Grabenstrukturen (190) eine Gateelektrode (155) und ein Gatedielektrikum (151) umfassen, das die Gateelektrode (155) vom Halbleiterkörper (100) trennt, wobei Bereiche des Halbleiterkörpers (100) zwischen benachbarten Grabenstrukturen (190) Mesastrukturen (180) bilden.
  28. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Wärmesenkenmerkmale (325) sich von einer der ersten Oberfläche (101) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (102) in Abschnitte der Mesastrukturen (180) erstrecken, die zur zweiten Oberfläche orientiert sind.
  29. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 27 oder 28, wobei die Sourcezonen (110) in Bereichen der Mesastrukturen (180) außerhalb einer vertikalen Projektion des Wärmesenkenmerkmals (325) ausgebildet sind, wobei die vertikale Projektion orthogonal zur ersten Oberfläche (101) orientiert ist.
  30. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die Wärmesenkenmerkmale (325) und die Grabenstrukturen (190) streifenförmige Strukturen sind und die Wärmesenkenmerkmale (325) orthogonal zu den Grabenstrukturen (190) verlaufen.
  31. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, ferner umfassend: weitere Wärmesenkenmerkmale (325), die sich von der Vorderseite in den Halbleiterkörper (100) erstrecken.
  32. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, umfassend: eine Vielzahl der Wärmesenkenmerkmale (325) an der Rückseite.
  33. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 32, wobei die Vielzahl der Wärmesenkenmerkmale (325) über einen horizontalen Querschnitt des Halbleiterkörpers (100) gleichmäßig verteilt ist.
  34. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 33, wobei die Wärmesenkenmerkmale (325) in einem zentralen Abschnitt eines Transistorzellenarrays dichter angeordnet sind als außerhalb des zentralen Abschnitts des Transistorzellenarrays.
  35. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 34, wobei das Wärmesenkenmerkmal (325) einen elektrisch leitfähigen Bereich aus zumindest einem Material umfasst, das aus Kupfer, Siliziumcarbid, einem Material, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen einbettet, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und hochdotiertem polykristallinem Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration von zumindest 2E19 cm–3 ausgewählt wird.
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