DE102016117264A1 - Leistungshalbleiterbauelement mit Steuerbarkeit von dU/dt - Google Patents

Leistungshalbleiterbauelement mit Steuerbarkeit von dU/dt Download PDF

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Abstract

Ein Leistungshalbleiterbauelement (1) umfasst einen an einen ersten Lastanschluss (11) und einen zweiten Lastanschluss (12) des Leistungshalbleiterbauelementes (1) gekoppelten Halbleiterkörper (10), der ein Driftgebiet (100) umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen (11, 12) zu leiten, wobei das Driftgebiet (100) Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss (11) angeordnetes Sourcegebiet (101), das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein Kanalgebiet (102), das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet (101) vom Driftgebiet (100) isoliert; wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1), die wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ, wenigstens einen Graben (15) vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben (14, 15, 16) lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die Gräben (14, 15, 16) sich jeweils in den Halbleiterkörper (10) hinein entlang einer Erstreckungsrichtung (Z) erstrecken und einen Isolator (142, 152, 162) umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode (141, 151, 161) vom Halbleiterkörper (10) isoliert, und wobei die wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1) ferner eine erste Mesa-Zone (17) des Halbleiterkörpers (10) umfasst, wobei die erste Mesa-Zone (17) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet (101), dem Kanalgebiet (102) und dem Driftgebiet (100) umfasst. Die Grabenelektrode (141) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ ist elektrisch an einen Steueranschluss (13) des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelt und ausgelegt, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes (102) zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone (17) umfasst ist. Die Grabenelektrode (151) des wenigstens einen Grabens (15) vom zweiten Typ ist mit dem ersten Lastanschluss (11) elektrisch verbunden. Die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ weist ein anderes elektrisches Potential auf als jeweils die Grabenelektroden (141, 151) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ und des wenigstens einen Grabens (15) vom zweiten Typ.

Description

  • GEBIET DER TECHNIK
  • Diese Beschreibung betrifft Ausführungsformen eines Leistungshalbleiterbauelementes und Ausführungsformen eines Verfahrens zum Verarbeiten eines Leistungshalbleiterbauelementes. Im Besonderen betrifft diese Beschreibung Ausführungsformen eines Leistungshalbleiterbauelementes, das eine oder mehrere Leistungseinheitszellen aufweist, welche jeweils wenigstens drei Gräben mit jeweiligen Grabenelektroden z. B. für die Steuerbarkeit von dU/dt umfassen, und entsprechende Verarbeitungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in Kraftfahrzeug-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa das Umwandeln elektrischer Energie und das Ansteuern eines Elektromotors oder einer Elektromaschine, stützen sich auf Leistungshalbleiterbauelemente. Beispielsweise werden Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Dioden, um nur einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen verwendet, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, für Schalter in Stromversorgungen und Leistungswandlern.
  • Ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst üblicherweise einen Halbleiterkörper, der ausgelegt ist, einen Laststrom entlang eines Laststromwegs zwischen zwei Lastanschlüssen des Bauelementes zu leiten. Ferner kann der Laststromweg mittels einer, manchmal als Gate-Elektrode bezeichneten, isolierten Elektrode gesteuert werden. Beispielsweise kann beim Empfangen eines entsprechenden Steuersignals, z. B. aus einer Treibereinheit, die Steuerelektrode das Leistungshalbleiterbauelement in einen von einem leitenden Zustand und einem blockierenden Zustand versetzen.
  • In einigen Fällen kann die Gate-Elektrode innerhalb eines Grabens des Leistungshalbleiterbauelementes umfasst sein, wobei der Graben z. B. eine streifenförmige Konfiguration oder nadelförmige Konfiguration aufweisen kann.
  • Ferner umfasst ein solcher Graben gelegentlich mehr als nur eine Elektrode, z. B. zwei oder mehr Elektroden, die getrennt voneinander angeordnet und manchmal auch elektrisch voneinander isoliert sind. Beispielsweise kann ein Graben sowohl eine Gate-Elektrode als auch eine Feldelektrode umfassen, wobei die Gate-Elektrode jeweils von den Lastanschlüssen elektrisch isoliert sein kann, und wobei die Feldelektrode mit einem der Lastanschlüsse elektrisch verbunden sein kann.
  • Gewöhnlich ist es wünschenswert, Verluste, z. B. Schaltverluste, des Leistungshalbleiterbauelementes niedrig zu halten. Beispielsweise können niedrige Schaltverluste erzielt werden, indem man kurze Schaltdauern, z. B. eine kurze Einschaltdauer und/oder eine kurze Ausschaltdauer sicherstellt. Andererseits können bei einer gegebenen Anwendung auch Erfordernisse bezüglich einer maximalen Spannungssteilheit (dU/dt) und/oder einer maximalen Laststromsteilheit (dl/dt) bestehen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Leistungshalbleiterbauelement: einen an einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelten Halbleiterkörper, der ein Driftgebiet umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen zu leiten, wobei das Driftgebiet Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss angeordnetes Sourcegebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein Kanalgebiet, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet vom Driftgebiet isoliert; wenigstens eine Leistungseinheitszelle, die wenigstens einen Graben von einem ersten Typ, wenigstens einen Graben von einem zweiten Typ und wenigstens einen Graben von einem dritten Typ umfasst, wobei die Gräben lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die Gräben sich jeweils in den Halbleiterkörper hinein entlang einer Erstreckungsrichtung erstrecken und einen Isolator umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode vom Halbleiterkörper isoliert, und wobei die wenigstens eine Leistungseinheitszelle ferner eine erste Mesa-Zone des Halbleiterkörpers umfasst, wobei die erste Mesa-Zone lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet, dem Kanalgebiet und dem Driftgebiet umfasst. Die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom ersten Typ ist elektrisch an einen Steueranschluss des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelt und ausgelegt, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone umfasst ist. Die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom zweiten Typ ist mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden. Die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom dritten Typ weist ein anderes elektrisches Potential auf als jeweils die Grabenelektroden des wenigstens einen Grabens vom ersten Typ und des wenigstens einen Grabens vom zweiten Typ.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Leistungshalbleiterbauelement: einen an einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelten Halbleiterkörper, der ein Driftgebiet umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen zu leiten, wobei das Driftgebiet Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss angeordnetes Sourcegebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein Kanalgebiet, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet vom Driftgebiet isoliert; wenigstens eine Leistungseinheitszelle, die wenigstens einen Graben vom ersten Typ, wenigstens einen Graben vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei sich die Gräben jeweils in den Halbleiterkörper hinein entlang einer Erstreckungsrichtung erstrecken und einen Isolator umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode vom Halbleiterkörper isoliert. Die wenigstens eine Leistungseinheitszelle umfasst ferner: eine erste Mesa-Zone des Halbleiterkörpers, wobei die erste Mesa-Zone lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet, dem Kanalgebiet und dem Driftgebiet umfasst, wobei die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom ersten Typ elektrisch an einen Steueranschluss des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelt und ausgelegt ist, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone umfasst ist; und eine zweite Mesa-Zone des Halbleiterkörpers, wobei die zweite Mesa-Zone lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben vom dritten Typ begrenzt ist, und wobei, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle, die Leistungseinheitszelle ausgelegt ist, zu verhindern, dass der Laststrom einen Übergang zwischen der zweiten Mesa-Zone und dem ersten Lastanschluss passiert, und wobei die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom ersten Typ und der erste Lastanschluss.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Verarbeiten eines Leistungshalbleiterbauelementes: einen an einen ersten Lastanschluss und einen zweiten Lastanschluss des Leistungshalbleiterbauelementes zu koppelnden Halbleiterkörper auszubilden, der ein Driftgebiet umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen zu leiten, wobei das Driftgebiet Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss anzuordnendes Sourcegebiet auszubilden, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; ein Kanalgebiet auszubilden, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet vom Driftgebiet isoliert; wenigstens eine Leistungseinheitszelle zu erzeugen, die wenigstens einen Graben vom ersten Typ, wenigstens einen Graben vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei sich die Gräben jeweils in den Halbleiterkörper hinein entlang einer Erstreckungsrichtung erstrecken und einen Isolator umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode vom Halbleiterkörper isoliert. Das Verfahren umfasst ferner, die wenigstens eine Leistungseinheitszelle so auszulegen, dass sie eine erste Mesa-Zone des Halbleiterkörpers umfasst, wobei die erste Mesa-Zone lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet, dem Kanalgebiet und dem Driftgebiet umfasst, wobei die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom ersten Typ elektrisch an einen Steueranschluss des Leistungshalbleiterbauelementes zu koppeln und auszulegen ist, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone umfasst ist; und eine zweite Mesa-Zone des Halbleiterkörpers, wobei die zweite Mesa-Zone lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben vom dritten Typ begrenzt ist, und wobei, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle, die Leistungseinheitszelle ausgelegt ist, zu verhindern, dass der Laststrom einen Übergang zwischen der zweiten Mesa-Zone und dem ersten Lastanschluss passiert, und wobei die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils die Grabenelektrode des wenigstens einen Grabens vom ersten Typ und der erste Lastanschluss.
  • Dem Fachmann werden sich nach dem Studium der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Betrachtung der begleitenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erschließen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, der Schwerpunkt liegt stattdessen auf der Darstellung von Prinzipien der Erfindung. Ferner kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnittes durch ein Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
  • 2 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnittes durch ein Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
  • 3 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnittes durch ein Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
  • 4 schematisch und beispielhaft ein Schaltschema für ein Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
  • 5A–C jeweils schematisch und beispielhaft ein Schaltschema für Grabenelektroden eines Leistungshalbleiterbauelementes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen, und
  • 6A–E jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Aufsicht auf ein Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann.
  • Es können dabei Richtungsbezeichnungen wie „oben“, „unten“, „unter“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, „unterhalb“, „oberhalb“, usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der Figuren verwendet sein, die beschrieben werden. Da Bestandteile von Ausführungsformen in mehreren verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, sind die Richtungsbezeichnungen zum Zweck der Darstellung verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die anliegenden Ansprüche definiert.
  • Es wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, für die in den Figuren ein oder mehrere Beispiele dargestellt sind. Die Beispiele dienen jeweils zur Erläuterung und sollen keine Einschränkung der Erfindung bedeuten. Beispielsweise können als Bestandteil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale an oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erzielen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen umfassen soll. Die Beispiele werden unter Verwendung bestimmter Formulierungen beschrieben, die nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche auszulegen sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zur Veranschaulichung. Der Übersichtlichkeit halber sind die gleichen Elemente oder Herstellungsschritte in den verschiedenen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet worden, falls nicht anders angegeben.
  • Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck „horizontal“ soll eine zu einer horizontalen Oberfläche eines Halbleitersubstrates oder einer Halbleiterstruktur im Wesentlichen parallele Orientierung beschreiben. Dies kann zum Beispiel die Oberfläche eines Halbleiterwafers oder eines Halbleiterplättchens sein. Beispielsweise können sowohl die unten genannte erste laterale Richtung X als auch die unten genannte zweite laterale Richtung Y horizontale Richtungen sein, wobei die erste laterale Richtung X und die zweite laterale Richtung Y senkrecht zueinander verlaufen können.
  • Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck „vertikal“ soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zur horizontalen Oberfläche angeordnet ist, d. h. parallel zur Normalenrichtung der Oberfläche des Halbleiterwafers. Beispielsweise kann die unten genannte Erstreckungsrichtung Z eine Erstreckungsrichtung sein, die sowohl zur ersten lateralen Richtung X als auch zur zweiten lateralen Richtung Y senkrecht verläuft.
  • In dieser Beschreibung wird n-dotiert als „erster Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet, während p-dotiert als „zweiter Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet wird. Alternativ können umgekehrte Dotierungsbeziehungen verwendet werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann.
  • Ferner kann sich in dieser Beschreibung der Ausdruck „Dotierstoffkonzentration“ auf eine durchschnittliche Dotierstoffkonzentration bzw. eine mittlere Dotierstoffkonzentration oder auf eine Flächenladungsträgerkonzentration eines spezifischen Halbleitergebietes oder einer Halbleiterzone beziehen. Somit kann zum Beispiel eine Aussage, die besagt, dass ein spezifisches Halbleitergebiet eine gewisse Dotierstoffkonzentration aufweist, die im Vergleich zu einer Dotierstoffkonzentration eines anderen Halbleitergebietes höher oder niedriger ist, anzeigen, dass die jeweiligen mittleren Dotierstoffkonzentrationen der Halbleitergebiete voneinander differieren.
  • Im Kontext der vorliegenden Beschreibung sollen die Ausdrücke „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem Kontakt“, „in ohmscher Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass eine niederohmige elektrische Verbindung oder ein niederohmiger Stromweg zwischen zwei Gebieten, Abschnitten, Zonen, Teilen oder Bestandteilen eines Halbleiterbauelementes oder zwischen verschiedenen Anschlüssen eines oder mehrerer Bauelemente oder zwischen einem Anschluss oder einer Metallisierung oder einer Elektrode und einem Teil oder einem Bestandteil eines Halbleiterbauelementes besteht. Ferner soll im Kontext der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck „in Kontakt“ beschreiben, dass zwischen zwei Elementen des jeweiligen Halbleiterbauelementes eine direkte physikalische Verbindung besteht; z. B. umfasst ein Übergang zwischen zwei in Kontakt miteinander stehenden Elementen möglicherweise kein weiteres Zwischenelement oder dergleichen.
  • Außerdem wird im Kontext der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck „elektrische Isolation“, falls nicht etwas anderes angegeben ist, im Kontext seines allgemein gültigen Verständnisses verwendet und soll somit beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten getrennt voneinander positioniert sind und dass keine ohmsche Verbindung besteht, die diese Komponenten verbindet. Komponenten, die elektrisch voneinander isoliert sind, können jedoch dennoch aneinander gekoppelt sein, beispielsweise mechanisch gekoppelt und/oder kapazitiv gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt. Als ein Beispiel können zwei Elektroden eines Kondensators elektrisch voneinander isoliert sein und zur gleichen Zeit mechanisch und kapazitiv aneinander gekoppelt sein, zum Beispiel mittels einer Isolation, zum Beispiel einem Dielektrikum.
  • In dieser Beschreibung beschriebene spezifische Ausführungsformen betreffen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Leistungshalbleiterbauelement, das eine Streifenzellen- oder Nadelzellenkonfiguration aufweist, wie etwa ein Leistungshalbleitertransistor, der innerhalb eines Leistungswandlers oder einer Stromversorgung verwendet werden kann. So ist in einer Ausführungsform das Halbleiterbauelement ausgelegt, einen Laststrom zu führen, der einem Verbraucher zugeführt werden soll bzw. und/oder der von einer Stromquelle bereitgestellt wird. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement eine oder mehrere aktive Leistungseinheitszellen umfassen, wie etwa eine monolithisch integrierte Diodenzelle und/oder eine monolithisch integrierte Transistorzelle und/oder eine monolithisch integrierte IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte RC-IGBT-Zelle und/oder eine monolithisch integrierte MOS-gesteuerte Diodenzelle (MGD-Zelle) und/oder eine monolithisch integrierte MOSFET-Zelle und/oder Ableitungen davon. Eine derartige Diodenzelle und/oder derartige Transistorzellen können in ein Leistungshalbleitermodul integriert sein. Eine Mehrzahl solcher Zellen kann ein Zellenfeld des Leistungshalbleiterbauelementes bilden, das in einem aktiven Gebiet des Leistungshalbleiterbauelementes angeordnet ist.
  • Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck „Leistungshalbleiterbauelement“ soll ein Halbleiterbauelement auf einem einzelnen Chip mit hohen Spannungsblockierungsfähigkeiten oder Strombelastbarkeiten beschreiben. Anders ausgedrückt, ein solches Leistungshalbleiterbauelement ist für hohen Strom, typischerweise im Amperebereich, z. B. bis zu mehreren zehn oder hundert Ampere oder sogar bis zu einigen kA, und/oder für hohe Spannungen, typischerweise über 15 V, noch typischer 100 V und darüber, z. B. bis zu wenigstens 400 V, bis zu wenigstens einem oder mehreren kV, bestimmt. Beispielsweise kann das unten beschriebene verarbeitete Halbleiterbauelement ein Halbleiterbauelement sein, das eine Streifenzellenkonfiguration oder eine Nadelzellenkonfiguration aufweist und ausgelegt werden kann, als Leistungskomponente in einer Niedrig-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendung verwendet zu werden.
  • Beispielsweise bezieht sich der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck „Leistungshalbleiterbauelement“, nicht auf Logikhalbleiterbauelemente, die z. B. zum Speichern von Daten, Berechnen von Daten und/oder anderen Typen von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.
  • 1 zeigt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnittes durch ein Leistungshalbleiterbauelement 1 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Der gezeigte Querschnitt ist parallel zur von der ersten lateralen Richtung X und der Erstreckungsrichtung Z aufgespannten Ebene. Die dargestellten Komponenten des Leistungshalbleiterbauelementes 1 können sich jeweils in die zweite laterale Richtung Y erstrecken.
  • Das Leistungshalbleiterbauelement 1 umfasst einen an einen ersten Lastanschluss 11 und einen zweiten Lastanschluss 12 des Leistungshalbleiterbauelementes 1 gekoppelten Halbleiterkörper 10. Beispielsweise weist das Leistungshalbleiterbauelement eine IGBT-Struktur, z. B. eine RC-IGBT-Struktur auf. Dementsprechend kann der erste Lastanschluss 11 ein Source-Anschluss sein und eine erste Metallisierung, beispielsweise eine Frontseitenmetallisierung, umfassen. Ferner kann der zweite Lastanschluss 12 ein Kollektor-Anschluss sein und eine zweite Metallisierung, beispielsweise eine Rückseitenmetallisierung, umfassen.
  • Der Halbleiterkörper 10 kann ein Driftgebiet 100 umfassen, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen 11 und 12 zu leiten. Das Driftgebiet 100 kann Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfassen. Beispielsweise ist das Driftgebiet 100 ein n–-dotiertes Gebiet.
  • Ferner kann ein Sourcegebiet 101 umfasst sein, das in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss 11 angeordnet ist und Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst. Beispielsweise ist das Sourcegebiet 101 ein n+-dotiertes Gebiet.
  • Es kann auch ein Kanalgebiet 102 umfasst sein, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet 101 vom Driftgebiet 100 isoliert. Beispielsweise ist das Kanalgebiet 102 ein p-dotiertes Gebiet. Das Kanalgebiet 102 kann auch in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss 11 angeordnet sein. Dazu kann das Kanalgebiet 102 ein oder mehrere Teilgebiete (nicht gezeigt) umfassen, die eine lokal erhöhte Dotierstoffkonzentration aufweisen können, z. B. eine oder mehrere p+-dotierte Teilgebiete, um einen niederohmigen Kontakt zum ersten Lastanschluss 11 bereitzustellen.
  • In der Nähe des zweiten Lastanschlusses 12 kann ein Halbleiterkontaktgebiet 108, z. B. ein Kollektorgebiet, z. B. ein p+-dotiertes Gebiet angeordnet sein. Beispielsweise ist das Gebiet 108 auf einer Seite in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet und auf der dem ersten Lastanschluss 11 zugewandten anderen Seite elektrisch an das Driftgebiet 100 gekoppelt. Ferner kann ein Feldstoppgebiet (nicht gezeigt) im Halbleiterkörper 10, z. B. zwischen dem Halbleiterkontaktgebiet 108 und dem Driftgebiet 100, z. B. ein n+-dotiertes Feldstoppgebiet, bereitgestellt sein. Des Weiteren kann das Halbleiterkontaktgebiet 108 ein oder mehrere n+-dotierte Gebiete (auch als „n-Shorts“ bezeichnet) umfassen, z. B. um eine RC-IGBT-Funktionalität bereitzustellen.
  • Das Leistungshalbleiterbauelement 1 kann ferner wenigstens eine Leistungseinheitszelle 1-1 umfassen. Es versteht sich, dass das Leistungshalbleiterbauelement 1 eine Mehrzahl von solchen Leistungseinheitszellen 1-1 umfassen kann, z. B. mehr als 10, mehr als 100, oder sogar mehr als 1000 solcher Leistungseinheitszellen, wobei jede dieser Leistungseinheitszellen 1-1 in einem aktiven Gebiet des Leistungshalbleiterbauelementes 1 angeordnet sein kann und wobei jede dieser Leistungseinheitszellen 1-1 ausgelegt sein kann, wenigstens einen jeweiligen Teil des Laststroms zu leiten. Das aktive Gebiet des Leistungshalbleiterbauelementes 1 kann wenigstens teilweise von einem Randgebiet umgeben sein (vgl. Bezugszeichen 1-2 in 6A–E), das z. B. durch Wafer-Vereinzelung entstehen kann. Beispielsweise ist das Randgebiet nicht ausgelegt, den Laststrom zu leiten. Ferner können die Leistungseinheitszellen 1-1 alle die gleiche Konfiguration aufweisen oder, in einer anderen Ausführungsform, in ihrer Konfiguration differieren, wie nachfolgend näher ausgeführt wird.
  • 1 bis 3 und 6A–D zeigen jeweils schematisch und beispielhaft eine jeweilige Konfiguration einer oder mehrerer ausgewählter Leistungseinheitszellen 1-1 des Leistungshalbleiterbauelementes 1. Es sei bereits an dieser Stelle betont, dass die Leistungseinheitszellen 1-1 einer beispielhaften Ausführungsform des Leistungshalbleiterbauelementes 1 nicht notwendigerweise jeweils die gleiche Konfiguration aufweisen müssen, z. B. bezüglich einer Nachbarschaftsbeziehung zwischen dem wenigstens einen ersten Grabentyp 14, dem wenigstens einen zweiten Grabentyp 15 und dem wenigstens einen dritten Grabentyp 16, sowie zwischen der ersten Mesa-Zone 17 und der zweiten Mesa-Zone 18, die im Folgenden genannt werden. Bei manchen Ausführungsformen können gleich konfigurierte Leistungseinheitszellen 1-1 eingesetzt werden und in anderen Ausführungsformen kann die Nachbarschaftsbeziehung der verschiedenen Gräben 14, 15, 16 sich zwischen benachbarten Leistungseinheitszellen 1-1 ändern.
  • Beispielsweise umfasst die Leistungseinheitszelle 1-1 wenigstens einen Graben 14 vom ersten Typ, wenigstens einen Graben 15 vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben 16 vom dritten Typ. Die Gräben 14, 15, 16 können lateral benachbart zueinander angeordnet sein, wobei die Gräben 14, 15, 16 sich jeweils in den Halbleiterkörper 10 hinein entlang der Erstreckungsrichtung Z erstrecken und einen Isolator 142, 152, 162 umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode 141, 151, 161 vom Halbleiterkörper 10 isoliert. Beispielsweise erstrecken sich die Gräben 14, 15 und 16 alle vom ersten Lastanschluss 11 zum zweiten Lastanschluss 12. Alle Gräben 14, 15 und 16 können sich in das Driftgebiet 100 hinein erstrecken. Beispielsweise weist das Driftgebiet 100 eine Gesamterstreckung entlang der Erstreckungsrichtung Z auf, und die Gräben 14, 15, 16 erstrecken sich jeweils wenigstens 1 μm weit in das Driftgebiet 100 hinein. Benachbarte Gräben können voneinander durch eine von einer ersten Mesa-Zone 17 und einer zweiten Mesa-Zone 18 getrennt sein.
  • Ferner können auch alle Gräben 14, 15 und 16 eine Streifenkonfiguration aufweisen, was bedeutet, dass ihre Gesamterstreckungen entlang der zweiten lateralen Richtung Y ihre jeweiligen Gesamterstreckungen entlang der ersten lateralen Richtung X, d. h. ihre jeweiligen Breiten, um wenigstens ein Mehrfaches überschreiten. Beispielsweise sind die Gräben 14, 15 und 16 des Leistungshalbleiterbauelementes 1 gemäß einer Mikromuster-Graben(MPT)-Struktur angeordnet.
  • Wie in 1 gezeigt, kann die wenigstens eine Leistungseinheitszelle 1-1 eine erste Mesa-Zone 17 des Halbleiterkörpers 10 umfassen, wobei die erste Mesa-Zone 17 lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben 14 vom ersten Typ begrenzt sein kann. Auf der anderen Seite kann die erste Mesa-Zone 17 lateral von wenigstens einem weiteren Graben 14 vom ersten Typ, z. B. um eine sogenannte Doppelgatekonfiguration zu realisieren, einem Graben 15 vom zweiten Typ und einem dritten Grabentyp 16 begrenzt sein. Die erste Mesa-Zone 17 kann wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet 101, dem Kanalgebiet 102 und dem Driftgebiet 100 umfassen. Beispielsweise wird dadurch die erste Mesa-Zone 17 ausgelegt, wenigstens einen Teil des Laststroms zu leiten. Beispielsweise wird die Leistungseinheitszelle 1-1 so ausgelegt, dass sie es dem Laststrom in der ersten Mesa-Zone 17 ermöglicht, einen zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und der ersten Mesa-Zone 17 ausgebildeten ersten Übergang 171 zu passieren. Dazu kann optional ein Kontaktstöpsel 111 bzw. eine Kontaktnut 111, wie in 2 schematisch und beispielhaft dargestellt, bereitgestellt werden. Ferner kann der Abschnitt des Sourcegebietes 101, der in der ersten Mesa-Zone 17 umfasst ist, in Kontakt mit dem Isolator 142 des Grabentyps 14 vom ersten Typ angeordnet sein. Zusätzlich kann der Abschnitt des Sourcegebietes 101 auch – im Gegensatz zu der schematischen und beispielhaften Darstellung in 1 – in Kontakt mit dem anderen Graben angeordnet sein, der die erste Mesa-Zone 17 lateral begrenzt, bei dem es sich gemäß 1 und 2 um den Graben 15 vom zweiten Typ handelt. Dieser optionale Aspekt ist auch schematisch und beispielhaft in 2 gezeigt.
  • Wie in 1 gezeigt, kann die wenigstens eine Leistungseinheitszelle 1-1 ferner eine zweite Mesa-Zone 18 des Halbleiterkörpers 10 umfassen, wobei die zweite Mesa-Zone 18 lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben 16 vom dritten Typ begrenzt ist. Beispielsweise ist, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle 1-1, die Leistungseinheitszelle 1-1 ausgelegt, zu verhindern, dass der Laststrom einen zweiten Übergang 181 zwischen der zweiten Mesa-Zone 18 und dem ersten Lastanschluss 11 passiert. Beispielsweise ist in dem gezeigten vertikalen Querschnitt die zweite Mesa-Zone 18 nicht in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss 11 angeordnet. Beispielsweise umfasst die zweite Mesa-Zone 18 keinen Abschnitt des Sourcegebietes 101 und/oder die Verbindung zwischen dem Abschnitt des Kanalgebietes 102, der Bestandteil der zweiten Mesa-Zone 18 sein kann, auf der einen Seite und dem ersten Lastanschluss 11 auf der anderen Seite ist eine hochohmige Verbindung. Es versteht sich jedoch, dass, um weiter der zweiten lateralen Richtung Y zu folgen, eine elektrische Verbindung im zweiten Übergang 181 zwischen der zweiten Mesa-Zone 18 und dem ersten Lastanschluss 11 hergestellt sein kann.
  • Beispielsweise passieren, in einer Ausführungsform, wenigstens 80% des vom Halbleiterkörper 10 geleiteten Laststroms an den zwischen den ersten Mesa-Zonen 17 und dem ersten Lastanschluss 11 ausgebildeten ersten Übergängen 171. Dieser prozentuale Anteil kann noch größer sein, z. B. 90% oder auch wenigstens 95% oder sogar 100%. Beispielsweise kann der verbleibende prozentuale Anteil des Laststroms an den zwischen den zweiten Mesa-Zonen 18 und dem ersten Lastanschluss 11 ausgebildeten zweiten Übergängen 181 passieren, gemäß einer Ausführungsform.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Graben 16 vom dritten Typ zwischen zwei zweiten Mesa-Zonen 18 angeordnet. In den in 1 und 2 gezeigten Querschnitten ist die Leistungseinheitszelle 1-1 ausgelegt, zu verhindern, dass der Laststrom die zweiten Übergänge 181 zwischen beiden zweiten Mesa-Zonen 18 und dem ersten Lastanschluss 11 passiert. Beispielsweise ist der Graben 16 vom dritten Typ nicht benachbart oder in Kontakt mit der ersten Mesa-Zone 17 angeordnet.
  • Die Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ kann elektrisch an einen Steueranschluss 13 des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelt und ausgelegt sein, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes 102 zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone 17 umfasst ist. Der Steueranschluss 13 kann ein Gate-Anschluss 13 sein. Beispielsweise kann mittels der Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ das Leistungshalbleiterbauelement 1 in einen leitenden Zustand gesetzt werden, während dessen ein Vorwärtslaststrom im Halbleiterkörper 10 geleitet werden kann, und in den blockierenden Zustand, während dessen ein Fluss des Vorwärtslaststroms unterbunden wird und eine zwischen dem zweiten Lastanschluss 12 und dem ersten Lastanschluss 11 angelegte Vorwärtsspannung blockiert wird.
  • Beispielsweise ist die Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ ausgelegt, einen Inversionskanal innerhalb des Kanalgebietes 102 zu induzieren. Beispielsweise kann ein Steuersignalerzeuger (vgl. z. B. Bezugszeichen 3 in 4) bereitgestellt werden, z. B. eine Gate-Treibereinheit, die ausgelegt ist, dem Steueranschluss 13 ein Steuersignal bereitzustellen. Beispielsweise wird das Steuersignal als eine Steuerspannung zwischen dem Steueranschluss 13 und dem ersten Lastanschluss 11 bereitgestellt, und das elektrische Potential des Steueranschlusses 13 kann der Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ bereitgestellt sein. Bei einer Ausführungsform kann das Leistungshalbleiterbauelement 1, mittels der Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ, die die erste Mesa-Zone 17 steuert, gemäß einer üblichen Art und Weise einer Steuerung eines IGBT und/oder eines RC-IGBT gesteuert werden.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Grabenelektrode 151 des wenigstens einen Grabens 15 vom zweiten Typ mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Grabenelektrode 151 des wenigstens einen Grabens 15 vom zweiten Typ nicht notwendigerweise mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden, sondern kann ein anderes elektrisches Potential aufweisen, z. B. das gleiche elektrische Potential wie die Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ oder das gleiche elektrische Potential wie die Grabenelektrode 161 des wenigstens einen Grabens 16 vom dritten Typ.
  • Beispielsweise weist die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential auf als jeweils die Grabenelektroden 141, 151 des Grabens 14 vom ersten Typ und des Grabens 15 vom zweiten Typ. Die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ kann ein anderes elektrisches Potential aufweisen als jeweils der erste Lastanschluss 11 und der Steueranschluss 13. Somit kann der Vorgang in der Leistungseinheitszelle 1-1, z. B. ein Schaltvorgang, z. B. ein Einschaltvorgang, von wenigstens drei verschiedenen elektrischen Potentialen gesteuert, bzw. wenigstens beeinflusst werden, nämlich dem elektrischen Potential des Steueranschlusses 13, der beispielsweise von einem Gate-Treiber bereitgestellt sein kann, dem elektrischen Potential des ersten Lastanschlusses 11, der beispielsweise von einem außerhalb des Leistungshalbleiterbauelementes 1 liegenden Punkt, z. B. einer Masse- oder Erdverbindung, gebildet sein kann, und einem dritten elektrischen Potential, nämlich dem elektrischen Potential der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ. Dies kann eine verbesserte Schaltkenngröße des Leistungshalbleiterbauelementes ermöglichen, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
  • Beispielsweise ist das elektrische Potential der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ ein selbstregulierendes elektrisches Potenzial und z. B. kein gesteuertes elektrisches Potenzial, das von einem Steuersignalerzeuger oder dergleichen bereitgestellt wird. Somit ist in einer Ausführungsform das elektrische Potential der Grabenelektrode 161 des wenigstens einen Grabens 16 vom dritten Typ kein von einem Gate-Treiber oder dergleichen bereitgestelltes zweites Gate-Signal.
  • Wie oben ausgeführt, kann das Leistungshalbleiterbauelement 1 ein schaltbares Leistungshalbleiterbauelement sein und die Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ kann ausgelegt sein, den Schaltvorgang zu steuern, indem sie ein eine festgelegte Steuerspannung aufweisendes Steuersignal, z. B. aus einem Steuersignalerzeuger (vgl. z. B. Bezugszeichen 3 in 4), empfängt. Bei einer Ausführungsform ist die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ ausgelegt, ein elektrisches Potential aufzuweisen, das vom elektrischen Potential der Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ um wenigstens 1 V für wenigstens 10% der Dauer des Schaltvorgangs, z. B. während eines Einschaltvorgangs, differiert. Bei einer Ausführungsform liegt die Differenz im elektrischen Potential während eines Einschaltvorgangs vor, z. B. wenigstens in dem Moment, in dem der Einschaltlaststrom eine Spitze aufweist, d. h. in dem Moment, indem sich der dl/dt-Wert des Einschaltlaststroms von einem positiven Wert in einen negativen Wert ändert. Beispielsweise ist die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ ausgelegt, ihr relatives elektrisches Potential während des Einschaltens des Leistungshalbleiterbauelementes 1 zu ändern, verglichen mit einem des ersten Lastanschlusses 11 und des Steueranschlusses 13.
  • Beispielsweise kann die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ ausgelegt sein, ein Spannung-über-die-Zeit-Verhältnis während eines Schaltvorgangs des Leistungshalbleiterbauelementes 1, z. B. während eines Einschaltvorgangs, zu reduzieren, wobei die Spannungsänderung (dU/dt) zwischen den Lastanschlüssen 11 und 12 eintritt. Beispielsweise kann die Reduzierung von dU/dt erzielt werden aufgrund der oben genannten Differenz im elektrischen Potential von wenigstens 1 V.
  • Der optionale Aspekt betreffend die dU/dt-Reduzierung mittels der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ soll mit Bezug auf 2 ausführlicher erläutert werden.
  • Wie in 2 gezeigt, kann die Leistungseinheitszelle 1-1 ferner einen weiteren Graben 14 vom ersten Typ umfassen. Beispielsweise wird die Mesa-Zone 17, die ausgelegt ist, den Laststrom zu leiten, lateral von einem Graben 14 vom ersten Typ auf der einen Seite und einem Graben 15 vom zweiten Typ auf der anderen Seite begrenzt. Die Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ kann ausgelegt sein, den Laststrom in der ersten Mesa-Zone 17 zu steuern, z. B. indem sie einen Inversionskanal in dem in der ersten Mesa-Zone 17 umfassten Abschnitt des Kanalgebietes 102 induziert. Wie oben ausgeführt, kann der Laststrom den zwischen der ersten Mesa-Zone 17 und dem ersten Lastanschluss 11 ausgebildeten ersten Übergang 171 passieren. Die Grabenelektrode 151 des Grabens 15 vom zweiten Typ, der ebenfalls die erste Mesa-Zone 17 lateral begrenzt, kann mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden sein, gemäß einer Ausführungsform. Diesem Graben 15 vom zweiten Typ benachbart kann der Graben 16 vom dritten Typ angeordnet sein. Beispielsweise begrenzen der Graben 15 vom zweiten Typ und der Graben 16 vom dritten Typ lateral die zweite Mesa-Zone 18. Beispielsweise passiert im gezeigten Querschnitt der vom Halbleiterkörper 10 geleitete Laststrom nicht den zweiten Übergang 181. Gemäß einer Ausführungsform kann die Leistungseinheitszelle 1-1 ferner einen weiteren Graben 14 vom ersten Typ umfassen, der dem Graben 16 vom dritten Typ lateral benachbart angeordnet ist, wie in 2 gezeigt. Beispielsweise begrenzen der Graben 16 vom dritten Typ und der weitere Graben 14 vom ersten Typ lateral eine weitere zweite Mesa-Zone 18. Auch in dieser weiteren zweiten Mesa-Zone 18 passiert der Laststrom nicht den zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und der weiteren zweiten Mesa-Zone 18 ausgebildeten zweiten Übergang 181, gemäß einer Ausführungsform. Ferner kann die Grabenelektrode 141 des weiteren Grabens 14 vom ersten Typ mit demselben elektrischen Potential, z. B. mit dem Steueranschluss 13, elektrisch verbunden sein wie die am linken Anfang der Leistungseinheitszelle 1-1 gezeigte Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ. Im Folgenden wird dieser weitere Graben 14 vom ersten Typ, der die zweite Mesa-Zone 18 lateral begrenzt, wo der Laststrom den zweiten Übergang 181 nicht passiert, auch als „Blindgraben 14“ bezeichnet. Da der Graben 14 vom ersten Typ und der Blindgraben 14 jeweils auf identische Weise ausgelegt sein können, z. B. mit beiden Graben-Elektroden 141 elektrisch an den Steueranschluss 13 gekoppelt, wird hier das gleiche Bezugszeichen „14“ verwendet.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ so ausgelegt sein, dass während des Schaltvorgangs, z. B. während des Einschaltens des Leistungshalbleiterbauelementes 1, ihr elektrisches Potential die Grabenelektrode 141 des Blindgrabens 14 vor einem Verschiebungsstrom schützt, z. B. falls die Amplitude des Einschaltstroms zunimmt, z. B. falls dl/dt > 0. Beispielsweise ist die Grabenelektrode 161 ausgelegt, während eines Einschaltvorgangs einen von Ladungsträgern des zweiten Leitfähigkeitstyps im Gebiet des Blindgrabens 14 ausgebildeten Strom anzuziehen. Dadurch kann eine Reduzierung von dU/dt während des Schaltvorganges des Leistungshalbleiterbauelementes 1 erzielt werden, wobei die Reduzierung in Beziehung gebracht werden kann mit einem Vergleich mit einer Konfiguration einer Leistungseinheitszelle, bei der nicht wenigstens ein Graben vom dritten Typ bereitgestellt wird, der eine Grabenelektrode aufweist, die ein vom Potential des ersten Lastanschlusses verschiedenes und vom Potential des zweiten Lastanschlusses verschiedenes elektrisches Potential aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Graben 16 vom dritten Typ in der Nähe des, z. B. benachbart zum Blindgraben 14 angeordnet. Wie oben ausgeführt, kann der Blindgraben 14 gleich ausgelegt sein wie der Graben 14 vom ersten Typ, wobei den Unterschied vielmehr die benachbarte Mesa-Zone ausmacht: während die Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ den Laststrom in der benachbarten Mesa-Zone 17 steuern kann, kann der Blindgraben der zweiten Mesa-Zone 18 benachbart angeordnet sein, wo der Laststrom den zweiten Übergang 181 zum ersten Lastanschluss 11 nicht passiert, gemäß einer Ausführungsform.
  • Anhand von 3 soll nun eine weitere beispielhafte Konfiguration der Leistungseinheitszelle 1-1 erläutert werden. Beispielsweise sind dem Graben 14 vom ersten Typ zwei erste Mesa-Zonen 17 benachbart, die lateral von einem Paar von Gräben 15 vom zweiten Typ begrenzt sind. Benachbart dazu können zwei Blind-Gräben 14 und der Graben 16 vom ersten Typ zwischen den zwei Blind-Gräben 14 angeordnet sein. Diese drei weiteren Gräben 14 und 16 begrenzen lateral drei zweite Mesa-Zonen 18, die ausgelegt sein können, zu verhindern, dass der Laststrom die zweiten Übergänge 181 passiert, wie oben ausgeführt. Beispielsweise sind die ersten Mesa-Zonen 17 und die Grabenelektrode 151 des Grabens 15 vom zweiten Typ mit dem elektrischen Potential des ersten Lastanschlusses 11 elektrisch verbunden. Die Grabenelektroden 141 des Grabens 14 vom ersten Typ und die Blind-Gräben 14 können elektrisch an den Steueranschluss 13 gekoppelt sein, wobei eine solche elektrische Kopplung einen Gate-Widerstand 131 umfassen kann. Beispielsweise weist der Gate-Widerstand 131 einen Widerstand von einigen Ohm, z. B. von weniger als 10 Ω z. B. von etwa 2 Ω auf. Die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ kann ein elektrisches Potential 166 aufweisen, das jeweils vom elektrischen Potential des ersten Lastanschlusses 11 und dem elektrischen Potential Steueranschlusses 13 verschieden sein kann.
  • 4 zeigt schematisch und beispielhaft ein Schaltschema für ein Leistungshalbleiterbauelement 1 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Wie oben ausgeführt, kann das Leistungshalbleiterbauelement 1 eine IGBT-Konfiguration, z. B. eine RC-IGBT-Konfiguration aufweisen, deren Schaltzeichen in 4 dargestellt ist. Beispielsweise ist der erste Lastanschluss 11 ein Source-(bzw. ein Emitter)-Anschluss, der mit der Erde elektrisch verbunden sein kann. Der zweite Lastanschluss 12 kann ein Kollektoranschluss sein, der mit einem hohen elektrischen Potential elektrisch verbunden sein kann. Der Steueranschluss 13 kann ein Gate-Anschluss sein, der mit einem Steuersignalerzeuger 3, z. B. einem Gate-Treiber elektrisch verbunden sein kann. Der Steuersignalerzeuger 3 kann außerhalb des Leistungshalbleiterbauelementes 1 angeordnet sein, oder kann alternativ dazu im Leistungshalbleiterbauelement 1 integriert sein. Ferner kann zwischen einem Ausgangsanschluss 31 des Steuersignalerzeugers 3 und des Steueranschlusses 13 ein Gate-Widerstand (nicht gezeigt) umfasst sein. Beispielsweise kann ein weiterer Anschluss als Bestandteil des Leistungshalbleiterbauelementes 1 bereitgestellt sein, wobei der weitere Anschluss das elektrische Potential 166 der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ aufweist.
  • Bei einer Ausführungsform ist das elektrische Potential 166 der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ ein freies elektrisches Potential. Dazu ist der weitere Anschluss nicht an ein festgelegtes elektrisches Potential gekoppelt, sondern beispielsweise vollständig elektrisch isoliert. Beispielsweise besteht, in dieser Ausführungsform, kein elektrischer Weg zwischen der Grabenelektrode 161 auf der einen Seite und jeweils dem ersten Lastanschluss 11 und dem Steueranschluss 13 auf der anderen Seite.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ an einen Anschluss des Leistungshalbleiterbauelementes 1 gekoppelt sein, der ein festgelegtes elektrisches Potential aufweist. Der Anschluss des Leistungshalbleiterbauelementes 1 kann beispielsweise einer des ersten Lastanschlusses 11, des zweiten Lastanschlusses 12, des Steueranschlusses 13 oder eines anderen Anschlusses sein, der ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils der erste Lastanschluss 11, der zweite Lastanschluss 12 und der Steueranschluss 13. Dieser Aspekt soll anhand der 5A–C ausführlicher erläutert werden, die jeweils schematisch und beispielhaft ein Schaltschema für Grabenelektroden des Leistungshalbleiterbauelementes 1 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zeigen.
  • Beispielsweise kann, gemäß den jeweils in 5A–C gezeigten Ausführungsformen, die Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ (und, falls vorhanden, die Grabenelektrode des Blindgrabens) elektrisch mittels dem Gate-Widerstand 131, der einen Widerstand im Bereich von einigen Ohm, z. B. weniger als 10 Ω, aufweisen kann, an den Steueranschluss 13 gekoppelt sein. Ferner kann die Grabenelektrode 151 des zweiten Grabentyps 15 mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden sein.
  • Gemäß der Ausführungsform von 5A ist die Grabenelektrode 161 des wenigstens einen Grabens 16 vom dritten Typ mittels einer Verbindung, die einen ohmschen Widerstand von wenigstens 1 Ω, oder von wenigstens 10 Ω, z. B. bis zu 20 Ω aufweist, an den Steueranschluss 13 gekoppelt. Dazu kann ein Widerstand 165 bereitgestellt sein.
  • Gemäß der Ausführungsform von 5B ist die Grabenelektrode 161 des wenigstens einen Grabens 16 vom dritten Typ mittels einer Verbindung, die einen ohmschen Widerstand von wenigstens 1 Ω, oder von wenigstens 10 Ω, z. B. bis zu 20 Ω aufweist, an den Steueranschluss 141 des ersten Grabens 14 gekoppelt. Dazu kann ein Widerstand 164 bereitgestellt sein.
  • Gemäß der Ausführungsform von 5C ist die Grabenelektrode 161 des wenigstens einen Grabens 16 vom dritten Typ mittels einer Verbindung, die einen ohmschen Widerstand von wenigstens 10 Ω oder von wenigstens 100 Ω, z. B. bis zu 1000 Ω, aufweist, an den ersten Lastanschluss 11 gekoppelt. Dazu kann ein Widerstand 163 bereitgestellt sein.
  • Anstelle oder zusätzlich zu dem Bereitstellen der Widerstände 163, 164, 165, kann der vergleichsweise hohe ohmsche Widerstand von wenigstens 10 Ω der jeweiligen Verbindung auch von einem Innenwiderstand der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ hergestellt sein. Es gibt einige Verfahrensweisen, um einen solchen vergleichsweise hohen Innenwiderstand zu erzielen, z. B. indem ein oder mehrere lokal verringerte Querschnitte in der Grabenelektrode 161 bereitgestellt werden, indem eine Dotierstoffkonzentration in einem mehrfachdotierten Material der Grabenelektrode 161 reduziert wird, indem ein kleiner Gesamtkontaktbereich zwischen der Grabenelektrode 161 auf der einen Seite und dem anderen Anschluss, z. B. Anschluss 13 oder Anschluss 11, auf der anderen Seite bereitgestellt wird, um einige Möglichkeiten zu nennen, wobei diese Möglichkeiten auch miteinander kombiniert werden können. Ungeachtet der gewählten Verfahrensweise (Innenwiderstand und/oder designierter Widerstand 163, 164, 165), soll jedoch der ohmsche Wirkwiderstand zwischen der Grabenelektrode 161 und dem Anschluss, mit der sie verbunden sein kann, wenigstens 10 Ω betragen, gemäß einer Ausführungsform.
  • Beispielsweise ist der ohmsche Wirkwiderstand zwischen der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ und einem des ersten Lastanschlusses 11 und des Steueranschlusses 13 um einen Faktor von wenigstens zwei größer als ein Gesamtwiderstand zwischen der Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ und dem Steueranschluss 13, der z. B. von dem Gate-Widerstand 131 ausgebildet wird. Dieser Faktor kann größer als 10, sogar größer als 100 oder sogar größer als 1000 sein.
  • Beispielsweise ist die Grabenelektrode 141 des Grabens 14 vom ersten Typ mittels dem Gate-Widerstand 131, der einen Widerstand von weniger als 10 Ω, von weniger als 5 Ω, oder sogar von weniger als 2 Ω aufweist, elektrisch an den Steueranschluss 13 gekoppelt.
  • Ferner kann, weiterhin mit Bezugnahme auf 5A–C, im Fall dass die Grabenelektrode 161 des Grabens vom dritten Typ an einen des ersten Lastanschlusses 11 und des Steueranschlusses 13 gekoppelt ist, ungeachtet der gewählten Vorgehensweise, z. B. ungeachtet, ob der vergleichsweise hohe ohmsche Widerstand von wenigstens 1 Ω als Innenwiderstand und/oder mittels Bereitstellen eines der Widerstände 163, 164, 165 realisiert wird, die Verbindung zwischen der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ und einem des ersten Lastanschlusses 11 und des Steueranschlusses 13 eine Diode 19 umfassen, wobei der Anodenport 191 der Diode 19 mit dem einen des ersten Lastanschlusses 11 und des Steueranschlusses 13 verbunden ist und der Kathodenport 192 der Diode 19 mit der Grabenelektrode 161 des Grabens 16 vom dritten Typ verbunden ist. Beispielsweise ist die Diode 19 eine Klemmdiode, z. B. eine Zener-Diode, die z. B. eine Durchbruchspannung von wenigstens 5 V aufweist. Somit kann, in einer Ausführungsform, die Grabenelektrode 161 mittels dem Widerstand 163 und einer parallelen Diode 19 mit dem ersten Lastanschluss 11 verbunden sein. Beispielsweise kann die Diode 19 es ermöglichen, den Widerstand für ein negatives Differenzpotential zwischen der Grabenelektrode 161 und der Grabenelektrode 151 kurzzuschließen, beispielsweise während des Ausschaltens, und/oder ein positives Differenzpotential während des Einschaltens begrenzen, wobei das Differenzpotential auf beispielsweise 10 V, 50 V oder auch 30 V begrenzt sein kann.
  • Im Folgenden sollen einige beispielhafte Konfigurationen von Leistungseinheitszellen 1-1 des Leistungshalbleiterbauelementes 1 anhand der 6A–E erläutert werden. Der einfacheren Erläuterung halber sind in diesen Figuren die Grabenelektroden 141 mit „G“ bezeichnet, die Grabenelektroden 151 sind mit „S“ bezeichnet, und die Grabenelektroden 161 sind mit „F“ bezeichnet. Wie in 6A–E gezeigt, kann das Leistungshalbleiterbauelement ein Randgebiet 1-2 umfassen, das die Leistungseinheitszellen 1-1 wenigstens teilweise umgibt, die das aktive Gebiet des Leistungshalbleiterbauelementes 1 ausbilden können, d. h. das Gebiet, welches den Laststrom zwischen den Anschlüssen 11 und 12 leitet.
  • Wie weiter in 6A–E gezeigt, können alle Gräben 14, 15 und 16 aller Leistungseinheitszellen 1-1 eine Streifenkonfiguration aufweisen; dementsprechend können auch die Grabenelektroden 141 (G-Elektroden), die Grabenelektroden 151 (S-Elektroden) und die Grabenelektroden 161 (F-Elektroden) eine Streifenkonfiguration aufweisen, beispielsweise eine Streifenkonfiguration, die sich durch das gesamte aktive Gebiet hindurchzieht und sich in das Randgebiet 1-2 hinein erstreckt, wie in 6A–E gezeigt.
  • Zum Herstellen einer Verbindung zwischen den vergrabenen Grabenelektroden G, S und F von außerhalb des Halbleiterkörpers 10, z. B. von einem Oberflächengebiet über dem Halbleiterkörper 10, können erste Kontaktstöpsel 149 für die G-Elektroden (Grabenelektroden 141), zweite Kontaktstöpsel 159 für die S-Elektroden (Grabenelektroden 151) und dritte Kontaktstöpsel 169 für die F-Elektroden (Grabenelektroden 161) bereitgestellt werden, gemäß einer Ausführungsform.
  • 6A–E zeigen schematisch und beispielhaft verschiedene Schaltschemen. Beispielsweise kann, gemäß 6A, der erste Lastanschluss 11 mit den F-Elektroden (Grabenelektroden 161) verbunden werden, indem die dritten Kontaktstöpsel 169 nur im Randgebiet 1-2 verwendet werden, um eine Verbindung zu realisieren, die den ohmschen Widerstand von wenigstens 10 Ω aufweist. Im Gegensatz dazu können für die S-Elektroden (Grabenelektroden 151) die zweiten Kontaktstöpsel 159 auch im aktiven Gebiet verwendet werden, um eine niederohmige Verbindung zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und den S-Elektroden (Grabenelektroden 151) zu realisieren. Außerdem kann die elektrische Leitfähigkeit der F-Elektroden (Grabenelektroden 161) im Vergleich zur elektrischen Leitfähigkeit der S-Elektroden (Grabenelektroden 151) wesentlich höher sein, gemäß einer Ausführungsform.
  • Beispielsweise kann, ebenfalls gemäß den Ausführungsformen von 6B–E, der erste Lastanschluss 11 mit den F-Elektroden (Grabenelektroden 161) verbunden werden, indem die dritten Kontaktstöpsel 169 nur im Randgebiet 1-2 verwendet werden, um einen Widerstand zu realisieren, der den ohmschen Widerstand von wenigstens 10 Ω aufweist. Im Gegensatz dazu können für die S-Elektroden (Grabenelektroden 151) die zweiten Kontaktstöpsel 159 auch im aktiven Gebiet verwendet werden, um eine niederohmige Verbindung zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und den S-Elektroden (Grabenelektroden 151) zu realisieren. Außerdem kann die elektrische Leitfähigkeit der F-Elektroden (Grabenelektroden 161) im Vergleich zur elektrischen Leitfähigkeit der S-Elektroden (Grabenelektroden 151) wesentlich höher sein. Es soll mit diesen 6B–E betont werden, dass, gemäß einer Ausführungsform, nicht jede Leistungseinheitszelle 1-1 in genau der gleichen Weise ausgelegt werden muss, was die Nachbarschaftsbeziehung zwischen den drei Grabentypen 14, 15 und 16 und den ersten und zweiten Mesa-Zonen 17 und 18 betrifft. So muss die Ausrichtung dieser Komponenten 14, 15, 16, 17 und 18 entlang der ersten lateralen Richtung X nicht notwendigerweise einem periodischen Muster folgen, sondern das Muster kann sich vielmehr entlang der ersten lateralen Richtung X ändern, gemäß einer Ausführungsform.
  • Bei allen oben offenbarten Ausführungsformen können die Gräben 14, 15 und 16 der Leistungseinheitszelle 1-1 jeweils gleiche räumliche Dimensionen aufweisen. Des Weiteren können die Grabenelektroden 141, 151, 161 aller Gräben 14, 15 und 16 der Leistungseinheitszelle 1-1 jeweils gleiche räumliche Dimensionen aufweisen. Des Weiteren können die Gräben 14, 15 und 16 der Leistungseinheitszelle 1-1 jeweils in gleichem Abstand entlang einer ersten lateralen Richtung X angeordnet sein. Diese räumlichen Merkmale lassen sich auf alle Leistungseinheitszellen 1-1 anwenden, die im Leistungshalbleiterbauelement 1 umfasst sein können. Ferner kann die elektrische Leitfähigkeit der Grabenelektroden 161 der Gräben 16 vom dritten Typ niedriger sein im Vergleich zur elektrischen Leitfähigkeit von wenigstens einer der Grabenelektroden 141 und der Grabenelektroden 151, z. B. um einen Faktor von wenigstens zwei.
  • Die Breite der ersten Mesa-Zone 17 in der ersten lateralen Richtung X kann im Bereich von 10 nm bis 2000 nm liegen.
  • Die Breite der zweiten Mesa-Zone 18 in der ersten lateralen Richtung X kann im Bereich von 10 nm bis 2000 nm liegen.
  • Die Breite des Grabens 14 vom ersten Typ, des Grabens 15 vom zweiten Typ und des Grabens 16 vom dritten Typ kann jeweils im Bereich von 500 nm bis 2000 nm liegen.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Breite der ersten Mesa-Zone 17 in der ersten lateralen Richtung X größer/kleiner sein als die Breite der zweiten Mesa-Zone 18 in der ersten lateralen Richtung, z. B. um einen Faktor von wenigstens 1,5. Dies kann das Einstellen der Größenordnung und des Zeitmaßstabs der Änderung des selbstregulierenden Potentials der Grabenelektrode 161 ermöglichen, gemäß einer Ausführungsform.
  • In einer anderen Ausführungsform erstrecken sich die Grabenelektroden 161 der Gräben 16 vom dritten Typ weiter entlang der Erstreckungsrichtung Z im Vergleich zu wenigstens einer der Grabenelektroden 141 der Gräben 14 vom ersten Typ und der Grabenelektroden 151 der Gräben 15 vom zweiten Typ. Dies kann das Einstellen der Größenordnung und des Zeitmaßstabs der Änderung des selbstregulierenden Potentials der Grabenelektrode 161 ermöglichen, gemäß einer Ausführungsform.
  • Ferner kann die Dicke des Isolators 162 des dritten Grabentyps 16 größer/kleiner sein als wenigstens eine der Dicke des Isolators 142 des ersten Grabentyps 14 und der Dicke des Isolators 152 des zweiten Grabentyps 15, z. B. um einen Faktor von wenigstens 1,5. Beispielsweise können die Isolatoren 142, 152 und 162 jeweils durch Aufwachsenlassen eines Oxids in den Gräben 14, 15 und 16 ausgebildet werden. In einer anderen Ausführungsform kann sich der Isolator 162 des dritten Grabentyps von dem wenigstens einen des Isolators 142 des ersten Grabentyps 14 und des Isolators 152 des zweiten Grabentyps 15 im Material differieren. Beispielsweise umfasst der Isolator 142 wenigstens Siliziumoxid (SiO2), während der Isolator 152 und/oder der Isolator 162 wenigstens Siliziumoxynitrid (SiOxNy) umfasst.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform können die Grabenelektroden 161 der Gräben 16 vom dritten Typ vorgeladen werden, und nachdem die Vorladung in den Grabenelektroden 161 bereitgestellt worden ist, können die Grabenelektroden 161 vollständig elektrisch isoliert werden. Beispielsweise ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Vorladung in einer Grabenelektrode in der US 9,105,679 beschrieben, deren Inhalt hiermit vollumfänglich hier aufgenommen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verarbeiten eines Leistungshalbleiterbauelementes offenbart. Beispielsweise ist das Verarbeitungsverfahren ein Verfahren zur Verarbeitung eines Leistungshalbleiterbauelementes 1 gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Das Verfahren kann umfassen, einen an einen ersten Lastanschluss 11 und einen zweiten Lastanschluss 12 des Leistungshalbleiterbauelementes 1 zu koppelnden Halbleiterkörper 10 auszubilden, der ein Driftgebiet 100 umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen 11 und 12 zu leiten, wobei das Driftgebiet 100 Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst. Das Verfahren kann ferner umfassen, ein in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss 11 anzuordnendes Sourcegebiet 101 auszubilden, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; und ein Kanalgebiet 102 auszubilden, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet 101 vom Driftgebiet 100 isoliert. Das Verfahren kann ferner umfassen, wenigstens eine Leistungseinheitszelle 1-1 zu erzeugen, die wenigstens einen Graben 14 vom ersten Typ, wenigstens einen Graben 15 vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben 16 vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben 14, 15 und 16 lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei sich die Gräben 14, 15 und 16 jeweils in den Halbleiterkörper 10 hinein entlang einer Erstreckungsrichtung Z erstrecken und einen Isolator 142, 152, 162 umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode 141, 151, 161 vom Halbleiterkörper 10 isoliert. Das Verfahren kann ferner umfassen, die wenigstens eine Leistungseinheitszelle 1-1 so auszulegen, dass sie eine erste Mesa-Zone 17 des Halbleiterkörpers 10 umfasst, wobei die erste Mesa-Zone 17 lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben 14 vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet 101, dem Kanalgebiet 102 und dem Driftgebiet 100 umfasst, wobei die Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ elektrisch an einen Steueranschluss 13 des Leistungshalbleiterbauelementes zu koppeln und auszulegen ist, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes 102 zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone 17 umfasst ist. Das Verfahren kann ferner umfassen, die wenigstens eine Leistungseinheitszelle 1-1 so auszugestalten, dass sie eine zweite Mesa-Zone 18 des Halbleiterkörpers 10 umfasst, wobei die zweite Mesa-Zone 18 lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben 16 vom dritten Typ begrenzt ist, und wobei, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle 1-1, die Leistungseinheitszelle 1-1 ausgelegt ist, zu verhindern, dass der Laststrom einen Übergang 181 zwischen der zweiten Mesa-Zone 18 und dem ersten Lastanschluss 11 passiert, und wobei die Grabenelektrode 161 des wenigstens einen Grabens 16 vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils die Grabenelektrode 141 des wenigstens einen Grabens 14 vom ersten Typ und der erste Lastanschluss 11.
  • Das Verfahren zum Verarbeiten eines Leistungshalbleiterbauelementes kann gemäß den Ausführungsformen des oben offenbarten Leistungshalbleiterbauelementes 1 variiert werden. Insofern wird auf das oben Gesagte verwiesen. Beispielsweise kann das Verfahren umfassen, die Grabenelektroden 161 vorzuladen und die Grabenelektroden 161 der Gräben 16 vom dritten Typ vollständig elektrisch zu isolieren. Ferner kann das Verfahren so ausgeführt werden, dass die elektrische Leitfähigkeit in den Grabenelektroden 161 der Gräben 16 vom dritten Typ reduziert wird, im Vergleich zur elektrischen Leitfähigkeit der Grabenelektroden 141 und 151. Das Verfahren kann ferner so ausgeführt werden, dass die Differenzen in der Dicke der Isolatoren 142, 152 und 162 erzielt werden.
  • Vorstehend wurden Ausführungsformen betreffend Halbleiterbauelementverarbeitungsverfahren erläutert. Beispielsweise basieren diese Halbleiterbauelemente auf Silizium (Si). Dementsprechend kann ein monokristallines Halbleitergebiet oder eine monokristalline Halbleiterschicht, z. B. der Halbleiterkörper 10, das Driftgebiet 100, das Kollektorgebiet 108, das Sourcegebiet 101, das Kanalgebiet 102 von beispielhaften Ausführungsformen, ein monokristallines Si-Gebiet oder eine monokristalline Si-Schicht sein. Bei anderen Ausführungsformen kann polykristallines oder amorphes Silizium verwendet werden.
  • Es versteht sich jedoch, dass der Halbleiterkörper 10 und Komponenten, z. B. Gebiete 100, 108, 101 und 102 aus einem beliebigen Halbleitermaterial hergestellt werden können, das sich zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes eignet. Beispiele für solche Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, elementare Halbleitermaterialien wie etwa Silizium (Si) oder Germanium (Ge), Gruppe IV-Verbundhalbleitermaterialien wie etwa Siliziumkarbid (SiC) oder Silizium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien wie etwa Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaPa), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumindiumnitrid (AlInN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (In-GaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien wie etwa Cadmium-Tellurid (CdTe) und Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe), um einige zu nennen. Die oben genannten Halbleitermaterialien werden auch als „Homoübergangshalbleitermaterialien“ bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, entsteht ein Heteroübergangshalbleitermaterial. Beispiele für Heteroübergangshalbleitermaterialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AlGaInN)-, Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AlGaInN)-, Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Galliumnitrid(GaN)-, Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Galliumnitrid(GaN)-, Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-, Siliziumsiliziumcarbid(SixC1-x)- und Silizium-SiGe-Heteroübergangshalbleitermaterialien. Für Leistungshalbleiteranwendungen werden derzeit vor allem Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet.
  • Räumlich relative Ausdrücke wie etwa „unter“, „darunter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und dergleichen werden zur Erleichterung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elementes bezüglich eines zweiten Elementes zu erläutern. Diese Ausdrücke sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung einschließen und auch andere Orientierungen als die in den Figuren gezeigten. Weiterhin werden auch Ausdrücke wie „erstes“, „zweites“ und dergleichen verwendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben und sollen ebenfalls nicht beschränkend sein. Gleiche Ausdrücke beziehen sich in der Beschreibung durchweg auf gleiche Elemente.
  • In der vorliegenden Verwendung sind die Ausdrücke „mit“, „enthaltend“, „einschließlich“, „umfassend“, „aufweisend“ und dergleichen offene Ausdrücke, die das Vorhandensein angegebener Elemente oder Merkmale anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein/eine“ und „der/die/das“ sollen sowohl den Plural als auch den Singular einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
  • Bei der oben beschriebenen Palette von Variationen und Anwendungen versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorstehende Beschreibung, noch durch die begleitenden Zeichnungen eingeschränkt wird. Vielmehr wird die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre Rechtsäquivalente eingeschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9105679 [0079]

Claims (21)

  1. Leistungshalbleiterbauelement (1), das umfasst: – einen an einen ersten Lastanschluss (11) und einen zweiten Lastanschluss (12) des Leistungshalbleiterbauelementes (1) gekoppelten Halbleiterkörper (10), der ein Driftgebiet (100) umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen (11, 12) zu leiten, wobei das Driftgebiet (100) Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – ein Sourcegebiet (101), das in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss (11) angeordnet ist und Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – ein Kanalgebiet (102), das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet (101) vom Driftgebiet (100) isoliert; – wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1), die wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ, wenigstens einen Graben (15) vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben (14, 15, 16) lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die Gräben (14, 15, 16) sich jeweils in den Halbleiterkörper (10) hinein entlang einer Erstreckungsrichtung (Z) erstrecken und einen Isolator (142, 152, 162) umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode (141, 151, 161) vom Halbleiterkörper (10) isoliert, und wobei die wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1) ferner eine erste Mesa-Zone (17) des Halbleiterkörpers (10) umfasst, wobei die erste Mesa-Zone (17) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet (101), dem Kanalgebiet (102) und dem Driftgebiet (100) umfasst; wobei – die Grabenelektrode (141) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ elektrisch an einen Steueranschluss (13) des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelt und ausgelegt ist, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes (102) zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone (17) umfasst ist; – die Grabenelektrode (151) des wenigstens einen Grabens (15) vom zweiten Typ mit dem ersten Lastanschluss (11) elektrisch verbunden ist; und – die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils die Grabenelektroden (141, 151) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ und des wenigstens einen Grabens (15) vom zweiten Typ.
  2. Leistungshalbleiterbauelement (1), das umfasst: – einen an einen ersten Lastanschluss (11) und einen zweiten Lastanschluss (12) des Leistungshalbleiterbauelementes (1) gekoppelten Halbleiterkörper (10), der ein Driftgebiet (100) umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen (11, 12) zu leiten, wobei das Driftgebiet (100) Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – ein Sourcegebiet (101), das in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss (11) angeordnet ist und Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – ein Kanalgebiet (102), das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet (101) vom Driftgebiet (100) isoliert; – wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1), die wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ, wenigstens einen Graben (15) vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben (14, 15, 16) lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei sich die Gräben (14, 15, 16) jeweils in den Halbleiterkörper (10) hinein entlang einer Erstreckungsrichtung (Z) erstrecken und einen Isolator (142, 152, 162) umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode (141, 151, 161) vom Halbleiterkörper (10) isoliert; wobei die wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1) ferner umfasst: – eine erste Mesa-Zone (17) des Halbleiterkörpers (10), wobei die erste Mesa-Zone (17) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet (101), dem Kanalgebiet (102) und dem Driftgebiet (100) umfasst, wobei die Grabenelektrode (141) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ elektrisch an einen Steueranschluss (13) des Leistungshalbleiterbauelementes gekoppelt ist und ausgelegt ist, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes (102) zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone (17) umfasst ist; und – eine zweite Mesa-Zone (18) des Halbleiterkörpers (10), wobei die zweite Mesa-Zone (18) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ begrenzt ist, und wobei, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle (1-1), die Leistungseinheitszelle (1-1) ausgelegt ist, zu verhindern, dass der Laststrom einen Übergang (181) zwischen der zweiten Mesa-Zone (18) und dem ersten Lastanschluss (11) passiert, und wobei die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils die Grabenelektrode (141) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ und der erste Lastanschluss (11).
  3. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ elektrisch potentialfrei ist.
  4. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ mittels einer Verbindung, die einen ohmschen Widerstand von wenigstens 10 Ω aufweist, an den ersten Lastanschluss (11) gekoppelt ist.
  5. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ mittels einer Verbindung, die einen ohmschen Widerstand von wenigstens 1 Ω aufweist, an den ersten Steueranschluss (13) gekoppelt ist.
  6. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der ohmsche Widerstand von wenigstens 10 Ω bzw. wenigstens 1 Ω von einem Innenwiderstand der Grabenelektrode (161) des Grabens (16) vom dritten Typ hergestellt wird.
  7. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, wobei der ohmsche Wirkwiderstand zwischen der Grabenelektrode (161) des Grabens (16) vom dritten Typ und einem des ersten Lastanschlusses (11) und des Steueranschlusses (13) um einen Faktor von wenigstens zwei größer ist als ein Gesamtwiderstand zwischen der Grabenelektrode (141) des Grabens (14) vom ersten Typ und dem Steueranschluss (13).
  8. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, wobei die Verbindung zwischen der Grabenelektrode (161) des Grabens (16) vom dritten Typ und eines des ersten Lastanschlusses (11) und des Steueranschlusses (13) eine Diode (19) umfasst, wobei der Anodenport (191) der Diode (19) mit dem einen des ersten Lastanschlusses (11) und des Steueranschlusses (13) verbunden ist und der Kathodenport (192) der Diode (19) mit der Grabenelektrode (161) des Grabens (16) vom dritten Typ verbunden ist.
  9. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 8, wobei die Diode (19) eine Zener-Diode (19) ist.
  10. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grabenelektrode (141) des Grabens (14) vom ersten Typ mittels eines Gate-Widerstandes (131), der einen Widerstand von weniger als 10 Ω aufweist, elektrisch an den Steueranschluss (13) gekoppelt ist.
  11. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1) ein schaltbares Leistungshalbleiterbauelement ist, wobei die Grabenelektrode (141) des Grabens (14) vom ersten Typ ausgelegt ist, einen Schaltvorgang zu steuern, indem sie ein eine festgelegte Steuerspannung aufweisendes Steuersignal aus einem Steuersignalerzeuger (3) empfängt, wobei die Grabenelektrode (161) des Grabens (16) vom dritten Typ ausgelegt ist, ein elektrisches Potential aufzuweisen, das vom elektrischen Potential der Grabenelektrode (141) des Grabens (14) vom ersten Typ um wenigstens 1 V für wenigstens 10% der Dauer des Schaltvorgangs differiert.
  12. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Potential der Grabenelektrode (161) des dritten Grabentyps (16) ein selbstregulierendes elektrisches Potential ist.
  13. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grabenelektrode (161) des Grabens (16) vom dritten Typ ausgelegt ist, ein Spannung-über-die-Zeit-Verhältnis während eines Schaltvorgangs des Leistungshalbleiterbauelementes (1) zu reduzieren, wobei der Schaltvorgang von der Grabenelektrode (141) des Grabens (14) vom ersten Typ gesteuert wird und die Spannungsänderung zwischen den Lastanschlüssen (11, 12) eintritt.
  14. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Mesa-Zone (17) ferner lateral von einem des wenigstens einen Grabens (15) vom zweiten Typ und einem weiteren Graben (14) vom ersten Typ begrenzt ist.
  15. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Leistungseinheitszelle (1-1) ferner eine zweite Mesa-Zone (18) des Halbleiterkörpers (10) umfasst, wobei die zweite Mesa-Zone (18) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ begrenzt ist, und wobei, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle (1-1), die Leistungseinheitszelle (1-1) ausgelegt ist, zu verhindern, dass der Laststrom einen Übergang (181) zwischen der zweiten Mesa-Zone (18) und dem ersten Lastanschluss (11) passiert.
  16. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 2 oder 15, wobei die zweite Mesa-Zone (18) ferner lateral von wenigstens einem weiteren Graben (14) vom ersten Typ begrenzt ist.
  17. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gräben (14, 15, 16) der Leistungseinheitszelle (1-1) jeweils gleiche räumliche Dimensionen aufweisen.
  18. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Grabenelektroden (141, 151, 161) aller Gräben (14, 15, 16) der Leistungseinheitszelle (1-1) jeweils gleiche räumliche Dimensionen aufweisen.
  19. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gräben (14, 15, 16) der Leistungseinheitszelle (1-1) jeweils in gleichem Abstand entlang einer ersten lateralen Richtung (X) angeordnet sind.
  20. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1) eine IGBT-Struktur aufweist.
  21. Verfahren zum Verarbeiten eines Leistungshalbleiterbauelementes (1), das umfasst: – einen an einen ersten Lastanschluss (11) und einen zweiten Lastanschluss (12) des Leistungshalbleiterbauelementes (1) zu koppelnden Halbleiterkörper (10) auszubilden, der ein Driftgebiet (100) umfasst, das ausgelegt ist, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen (11, 12) zu leiten, wobei das Driftgebiet (100) Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – ein Sourcegebiet (101) auszubilden, das in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschluss (11) angeordnet ist und Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst; – ein Kanalgebiet (102) auszubilden, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst und das Sourcegebiet (101) vom Driftgebiet (100) isoliert; – wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1) zu erzeugen, die wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ, wenigstens einen Graben (15) vom zweiten Typ und wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ umfasst, wobei die Gräben (14, 15, 16) lateral benachbart zueinander angeordnet sind, wobei sich die Gräben (14, 15, 16) jeweils in den Halbleiterkörper (10) hinein entlang einer Erstreckungsrichtung (Z) erstrecken und einen Isolator (142, 152, 162) umfassen, der eine jeweilige Grabenelektrode (141, 151, 161) vom Halbleiterkörper (10) isoliert; – die wenigstens eine Leistungseinheitszelle (1-1) so auszulegen, dass sie umfasst: – eine erste Mesa-Zone (17) des Halbleiterkörpers (10), wobei die erste Mesa-Zone (17) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (14) vom ersten Typ begrenzt ist und wenigstens einen jeweiligen Abschnitt von jeweils dem Sourcegebiet (101), dem Kanalgebiet (102) und dem Driftgebiet (100) umfasst, wobei die Grabenelektrode (141) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ elektrisch an einen Steueranschluss (13) des Leistungshalbleiterbauelementes zu koppeln und auszulegen ist, den Laststrom in dem Abschnitt des Kanalgebietes (102) zu steuern, der in der ersten Mesa-Zone (17) umfasst ist; und – eine zweite Mesa-Zone (18) des Halbleiterkörpers (10), wobei die zweite Mesa-Zone (18) lateral von wenigstens dem wenigstens einen Graben (16) vom dritten Typ begrenzt ist, und wobei, in einem vertikalen Querschnitt durch die Leistungseinheitszelle (1-1), die Leistungseinheitszelle (1-1) ausgelegt ist, zu verhindern, dass der Laststrom einen Übergang (181) zwischen der zweiten Mesa-Zone (18) und dem ersten Lastanschluss (11) passiert, und wobei die Grabenelektrode (161) des wenigstens einen Grabens (16) vom dritten Typ ein anderes elektrisches Potential aufweist als jeweils die Grabenelektrode (141) des wenigstens einen Grabens (14) vom ersten Typ und der erste Lastanschluss (11).
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