DE102017115536A1 - Ladungskompensationshalbleiterbauelement und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement umfasst eine Gatemetallisierung (G) und einen Halbleiterkörper (40) aufweisend eine erste Seite (101), eine gegenüberliegende zweite Seite (102) und ein zwischen der zweiten Seite und der ersten Seite angeordnetes Driftgebiet (1). Eine Sourcemetallisierung (10) ist auf der ersten Seite (101) angeordnet. In einem zur ersten Seite senkrechten vertikalen Querschnitt sind zwei Bodygebiete (5, 5') im Halbleiterkörper benachbart zur ersten Seite angeordnet. Jedes der zwei Bodygebiete bildet einen ersten pn-Übergang mit dem Driftgebiet. Ein im Halbleiterkörper zwischen der ersten Seite und einem der beiden Bodygebiete angeordnetes Sourcegebiet (2) ist in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung und bildet einen zweiten pn-Übergang mit dem einen der beiden Bodygebiete. Eine zur ersten Seite benachbarte Gateelektrode (12) ist durch ein dielektrisches Gebiet (13) vom Sourcegebiet, dem einen der beiden Bodygebiete und dem Driftgebiet getrennt und in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung. Jedes von zwei zwischen der zweiten Seite und einem der Bodygebiete angeordneten Kompensationsgebieten (6, 6') bildet einen jeweiligen weiteren pn-Übergang mit dem Driftgebiet. Eine ohmsche Verbindung besteht zwischen einem der Kompensationsgebiete (6') und der Gatemetallisierung oder zwischen dem Kompensationsgebiet und einer weiteren, weder mit der Sourcemetallisierung noch mit der Gatemetallisierung verbundenen Metallisierung (1012).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Ladungskompensationshalbleiterbauelemente, im Besonderen vertikale Leistungs-Ladungskompensationshalbleitertransistoren, sowie Verfahren für deren Herstellung.
  • HINTERGRUND
  • Halbleitertransistoren, insbesondere Feldeffekt-gesteuerte Schaltvorrichtungen wie Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) wurden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, die die Verwendung als Schalter in Stromversorgungsgeräten und Leistungswandlern, Elektroautos, Klimaanlagen und sogar Stereoanlagen umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Besonders für Leistungshalbleiterbauelemente, die zum Schalten großer Ströme und/oder für den Hochspannungsbetrieb geeignet sind, sind oft ein niedriger Durchlasswiderstand Ron und eine hohe Durchbruchspannungen Ubd erwünscht.
  • Um einen niedrigen Durchlasswiderstand Ron und eine hohe Durchbruchspannungen Ubd zu erzielen, wurden Ladungskompensationshalbleiterbauelemente entwickelt. Das Kompensationsprinzip beruht auf einer gegenseitigen Kompensation von Ladungen in n- und p-dotierten Bereichen, die häufig auch als n- und p-dotierte Säulenbereiche bezeichnet werden, in der Driftzone eines vertikalen MOSFETs.
  • Typischerweise ist die Ladungskompensationsstruktur, die von p-dotierten und n-dotierten Bereichen gebildet wird, unter der eigentlichen MOSFET-Struktur mit ihren Source-, Body- und Gate-Gebieten angeordnet, und ebenfalls unter den zugeordneten MOS-Kanälen, wobei die p-dotierten und n-dotierten Bereiche nebeneinander im Halbleitervolumen des Halbleiterbauelements angeordnet sind oder miteinander derart verschachtelt sind, dass sich ihre Ladungen im Sperrbetrieb („off-state“) gegenseitig verarmen können und dass im aktivierten oder Durchlassbetrieb („on-state“) ein ununterbrochener Niederimpedanz-Leitungsweg von einer oberflächennahen Source-Elektrode zu einer an der Rückseite angeordneten Drain-Elektrode entsteht.
  • Aufgrund der Kompensation der p-Typ- und n-Typ-Dotierungen kann die Dotierung des stromführenden Gebiets im Fall von Kompensationsbauelementen signifikant erhöht werden, was trotz des Verlustes an (stromführender) aktiver Chipfläche A zu einer signifikanten Verringerung des Durchlasswiderstandes Ron führt. Die Reduzierung des Einschaltwiderstandes Ron multipliziert mit der aktiven Chipfläche A, im Folgenden auch als (flächen-)spezifischer Einschaltwiderstand Ron*A bezeichnet, solcher Halbleiterleistungsbauelemente ist mit einer Reduzierung der durch den Strom im Einschaltzustand erzeugten Wärme verbunden, so dass solche HalbleiterLeistungsbauelemente mit Ladungskompensationsstruktur im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterleistungsbauelementen „kühl“ bleiben.
  • Der spezifische Einschaltwiderstand Ron*A von Ladungskompensationshalbleiterbauelementen kann jedoch bei einer Verringerung der Teilung bzw. des Abstand („Pitch“) der Kompensationsgebiete nur bis zu einer Grenze abnehmen und bei einer weiteren Verringerung der Teilung sogar wieder ansteigen.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf, Ladungskompensationshalbleiterbauelemente und deren Herstellung zu verbessern.
  • KURZFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements umfasst das Ladungskompensationshalbleiterbauelement eine Gatemetallisierung und einen Halbleiterkörper aufweisend eine erste Seite, eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, und ein zwischen der zweiten Seite der ersten Seite angeordnet ist Driftgebiet. Eine Sourcemetallisierung ist auf der ersten Seite angeordnet. In einem zur ersten Seite senkrechten vertikalen Querschnitt weist das Ladungskompensationshalbleiterbauelement zwei im Halbleiterkörper benachbart zur ersten Seite angeordnete Bodygebiete, die jeweils einen ersten pn-Übergang mit dem Driftgebiet bilden, ein im Halbleiterkörper und zwischen der ersten Seite und einem der zwei Bodygebiete angeordnetes Sourcegebiet in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung, dass einen zweiten pn-Übergang mit dem einem der zwei Bodygebiete bildet, eine in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung stehende Gateelektrode, die benachbart zur ersten Seite angeordnet ist und durch ein dielektrisches Gebiet vom Sourcegebiet, der einen der zwei Bodygebiete und dem Driftgebiet getrennt ist, und zwei Kompensationsgebiete auf, wobei jedes der zwei Kompensationsgebiete einen jeweiligen weiteren pn-Übergang mit dem Driftgebiet bildet und zwischen der zweiten Seite und einen der Bodygebiete angeordnet ist. Eine ohmsche Verbindung ist zwischen einem ersten der zwei Kompensationsgebiete und der Gatemetallisierung oder zwischen dem ersten Kompensationsgebiet und einer weiteren Metallisierung, die weder mit der Sourcemetallisierung noch mit der Gatemetallisierung verbunden ist, gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements umfasst das Ladungskompensationshalbleiterbauelement eine Gatemetallisierung, eine von der Gatemetallisierung beabstandete Sourcemetallisierung und einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper umfasst eine erste Seite, eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, ein zwischen der zweiten Seite und der ersten Seite angeordnetes Driftgebiet, mehrere im Halbleiterkörper benachbart zur ersten Seite angeordnete Bodygebiete, wobei jedes der Bodygebiete einen jeweiligen ersten pn-Übergang mit dem Driftgebiet bildet, und mehrere Kompensationsgebiete, wobei jedes der Kompensationsgebiete zwischen der zweiten Seite und den Bodygebieten angeordnet ist und einen jeweiligen weiteren pn-Übergang mit dem Driftgebiet bildet. Mehrere in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung stehende Gateelektroden sind benachbart zur ersten Seite angeordnet und durch ein dielektrisches Gebiet von den Bodygebieten und dem Driftgebiet getrennt. Ein Widerstandsstrompfad ist zwischen einem der Kompensationsgebiete und einer der Gateelektroden oder zwischen dem einen der Kompensationsgebiete und einer weiteren Metallisierung, die von der Sourcemetallisierung und der Gatemetallisierung beabstandet ist, gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite und aufweisend ein Driftgebiet, mehrere mit dem Driftgebiet jeweilige erste pn-Übergänge bildende Bodygebiete, und mehrere mit dem Driftgebiet jeweilige zweite pn-Übergänge bildende Kompensationsgebiete, wobei jedes der Kompensationsgebiete zwischen der zweiten Seite und einem angrenzenden der Bodygebiete angeordnet ist, und ein Bilden mehrerer durch ein dielektrisches Gebiet von den Bodygebieten und dem Driftgebiet getrennte Gateelektroden benachbart zur ersten Seite, so dass ein Widerstandsstrompfad zwischen einer der Gateelektroden und einem der Kompensationsgebiete gebildet wird.
  • Fachleute erkennen zusätzliche Merkmale und Vorteile beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und beim Betrachten der begleitenden Zeichnungen.
  • Figurenliste
  • Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen liegt das Hauptaugenmerk auf der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung. Darüber hinaus zeichnen gleichnamige Bezugszeichen vergleichbare Bauteile aus. In den Zeichnungen:
    • stellt 1 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 2 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 3 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 4 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • zeigt 5 einen Zusammenhang zwischen der Durchbruchsladung und dem Dotierungsgrad von Ladungskompensationshalbleiterbauelementen;
    • stellt 6 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 7 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • zeigt 8 einen berechneten Oberflächengewinn von Ladungskompensationshalbleiterbauelementen gemäß einer Ausführungsform;
    • stellt 9 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 10 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 11 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 12 einen weiteren vertikalen Querschnitt durch das in 11 dargestellte Ladungskompensationshalbleiterbauelement nach einer Ausführungsform dar;
    • stellt 13A ein Layout eines Widerstands eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements nach einer Ausführungsform dar;
    • stellt 13B ein Layout eines Widerstands eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements nach einer Ausführungsform dar;
    • stellt 13C einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 14A einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 14B einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 15 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 16 einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar;
    • stellt 17A einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar; und
    • stellt 17A einen vertikalen Querschnitt durch ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die en Teil hiervon sind, und in denen spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung betrieben werden kann, anschaulich gezeigt werden. In diesem Zusammenhang wird richtungsweisende Terminologie wie z.B. „oben“, „unten“, „vorderseitig“, „rückseitig“, „führend“, „nachfolgend“ etc. in Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in vielen verschiedenen Orientierungen angeordnet sein können, wird die richtungsweisende Terminologie zum Zweck der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise beschränkend. Es ist zu beachten, dass andere Ausführungsformen Anwendung finden können und strukturelle oder logische Veränderungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem beschränkenden Sinn aufgefasst werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Nun wird detailliert auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, die in einem oder mehreren Beispielen in den Figuren dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zur Erklärung bereitgestellt und soll die Erfindung nicht beschränken. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben werden, in oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform hervorzubringen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen umfasst. Die Beispiele werden unter Verwendung einer spezifischen sprachlichen Ausdrucksweise beschrieben, die nicht so interpretiert werden soll, dass sie den Umfang der beiliegenden Ansprüche beschränkt. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen rein dem Zweck der Veranschaulichung. Aus Klarheitsgründen wurden dieselben Elemente oder Herstellungsschritte in den verschiedenen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen belegt, sofern nicht anders angegeben ist.
  • Der Begriff „horizontal“ soll in dieser Spezifikation (Beschreibung) eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Seite oder Hauptseite eines Halbleitersubstrats oder -körpers ist, typischerweise einer jeweiligen im Wesentlichen ebenen Fläche. Dies kann zum Beispiel die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips sein.
  • Der Begriff „vertikal“ soll in dieser Spezifikation eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Fläche angeordnet ist, d.h. parallel zur normalen Richtung der ersten Fläche des Halbleitersubstrats oder -körpers. Gleichermaßen soll der Begriff „horizontal“ in dieser Spezifikation eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zur ersten Fläche angeordnet ist.
  • In dieser Spezifikation soll eine zweite Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder Halbleiterkörpers durch die untere oder rückseitige Oberfläche gebildet werden, während die erste Oberfläche durch die obere, vorderseitige oder Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gebildet werden soll. Die Begriffe „über“ und „unter“ beschreiben in dieser Spezifikation daher eine relative Lage eines Strukturmerkmals in Bezug auf ein anderes Strukturmerkmal unter Berücksichtigung dieser Orientierung.
  • In dieser Spezifikation wird die n-Dotierung als erster Leitungstyp (Leitfähigkeitstyp) bezeichnet, während die p-Dotierung als zweiter Leitungstyp bezeichnet wird. Alternativ dazu können die Halbleitervorrichtungen (Halbleiterbauelemente) mit entgegengesetzten Dotierungen ausgebildet sein, sodass der erste Leitungstyp p-dotiert und der zweite Leitungstyp n-dotiert sein kann. Ferner stellen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen dar, indem „-“ oder „+“ neben dem Dotierungstyp angezeigt wird. Zum Beispiel bedeutet „n-“ eine Dotierungskonzentration, die geringer ist als die Dotierungskonzentration eines „n“-dotierten Gebiets, während ein „n+“-Dotierungsgebiet eine höhere Dotierungskonzentration als das „n“-dotierte Gebiet aufweist. Dennoch bedeutet die Angabe der relativen Dotierungskonzentration nicht, dass Dotierungsgebiete derselben relativen Dotierungskonzentration dieselbe absolute Dotierungskonzentration aufweisen müssen, sofern nichts anderes angegeben ist. Zum Beispiel können zwei unterschiedliche, n+-dotierte Gebiete unterschiedliche absolute Dotierungskonzentrationen aufweisen. Dies gilt beispielsweise auch für ein n+- und ein p+-dotiertes Gebiet.
  • Spezifische Ausführungsformen, die in dieser Spezifikation dargestellt werden, betreffen Feldeffekt-Halbleitervorrichtungen (Feldeffekthalbleiterbauelemente), ohne auf diese beschränkt zu sein, und im Besonderen Feldeffekt-Kompensations-Halbleitervorrichtungen und Herstellungsverfahren für diese. Innerhalb dieser Spezifikation werden die Begriffe „Halbleiterbauelement“, „Halbleitervorrichtung“ und „Halbleiterkomponente“ synonym verwendet. Die Feldeffekt-Halbleitervorrichtung ist typischerweise eine vertikale Halbleitervorrichtung wie zum Beispiel ein vertikaler MOSFET mit einer Drain-Metallisierung, die auf der ersten Oberfläche angeordnet ist, und einer Source-Metallisierung und einer isolierten Gate-Elektrode, die auf einer zweiten Oberfläche angeordnet sind, die gegenüber der ersten Oberfläche angeordnet ist. Typischerweise handelt es sich bei der Feldeffekt-Halbleitervorrichtung um eine Leistungs-Halbleitervorrichtung, die einen aktiven Bereich (aktive Zone) mit einer Vielzahl von MOSFET-Zellen aufweist, um einen Ladungsstrom zu befördern und/oder zu steuern. Darüber hinaus besitzt die Leistungs-Halbleitervorrichtung typischerweise einen peripheren Bereich (Randbereich, Randzone) mit mindestens einer Randabschluss-Struktur auf, der von oben betrachtet den aktiven Bereich zumindest teilweise umgibt.
  • Der Begriff „Leistungs-Halbleitervorrichtung“ soll in dieser Spezifikation eine Halbleitervorrichtung auf einem einzelnen Chip mit Hochspannungs- und/oder Hochstrom-Schaltvermögen beschreiben. Anders gesagt sind Leistungshalbleitervorrichtungen für hohe Ströme, typischerweise im Amperebereich, und/oder Spannungen von mehr als ca. 10V oder sogar mehr als ca. 100 V oder ca. 500 V ausgelegt. Innerhalb dieser Spezifikation werden die Begriffe „Leistungshalbleiterbauelement“, „Leistungs-Halbleitervorrichtung“ und „Leistungs-Halbleiterkomponente“ synonym verwendet.
  • Der in dieser Spezifikation verwendete Begriff „Randabschluss-Struktur“ soll eine Struktur beschreiben, die so ausgeführt ist, dass sie in einem Sperrmodus einen Übergangsbereich bereitstellt, in dem eine hohe elektrische Spannung, d. h. eine Spannung mit einem hohen Absolutwert im Vergleich zu Masse, wie z. B. eine Drain-Spannung, um einen aktiven Bereich des Halbleiterbauelements, allmählich zum Potential an oder nahe des Rands des Bauelements und/oder zu einem Bezugspotential wie Masse, Source- oder Gate-Potential ändert. Die Randabschluss-Struktur kann z. B. die Feldstärke um einen Abschlussbereich eines gleichrichtenden Übergangs herabsetzen, indem sie die elektrischen Feldlinien über den Abschlussbereich verteilt.
  • Der in dieser Spezifikation verwendete Begriff „Feldeffekt“ soll die durch das elektrische Feld vermittelte Bildung eines leitfähigen „Kanals“ eines ersten Leitungstyps und/oder die Steuerung der Leitfähigkeit und/oder der Form des Kanals in einem Halbleitergebiet eines zweiten Leitungstyps, typischerweise einem Bodygebiet des zweiten Leitungstyps, beschreiben. Aufgrund des Feldeffekts kann ein unipolarer Strompfad durch das Kanalgebiet gebildet und/oder zwischen einem Sourcegebiet des ersten Leitungstyps und einem Driftgebiet des ersten Leitungstyps gesteuert werden. Das Driftgebiet kann sich in Kontakt mit einem Draingebiet befinden. Das Driftgebiet und das Draingebiet stehen typischerweise in niederohmiger Verbindung mit einer Drain-Elektrode (Drain-Metallisierung). Das Sourcegebiet steht typischerweise in niederohmiger Verbindung mit einer Source-Elektrode (Sourcemetallisierung).
  • Im Rahmen der vorliegenden Spezifikation soll mit dem Begriff „Metallisierung“ ein Gebiet, ein Bereich oder eine Schicht mit metallischen oder nahezu metallischen Eigenschaften in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit bezeichnet werden. Dementsprechend kann eine Metallisierung während des Gerätebetriebes einen Äquipotentialbereich (-gebiet) bilden. Eine Metallisierung kann mit einem Halbleiterbereich in Kontakt stehen, um eine Elektrode, eine Zuführung, ein Pad und / oder einen Anschluss des Halbleiterbauelements zu bilden. Die Metallisierung kann aus einem Metall wie Al, Ti, W, W, Cu und Mo oder einer Metalllegierung wie NiAl bestehen und/oder ein Metall aufweisen, aber auch aus einem Material mit metallischen oder nahezu metallischen Eigenschaften in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit wie hochdotiertem n-Typ oder p-Typ Poly-Si, TiN, einem elektrisch leitfähigen Silizid wie TaSi2, TiSi2, PtSi, WSi2, MoSi, oder einem elektrisch leitfähigem Karbid wie AlC, NiC, MoC, TiC, PtC, WC oder ähnliches. Die Metallisierung kann auch verschiedene elektrisch leitfähige Materialien umfassen, z.B. einen Stapel dieser Materialien.
  • Im Rahmen der vorliegenden Spezifikation soll der Ausdruck „in ohmscher Verbindung“ beschreiben, dass ein ohmscher Strompfad (Widerstandsstrompfad), z. B. ein niederohmiger Strompfad, zwischen jeweiligen Elementen oder Teilen einer Halbleitervorrichtung vorhanden ist, wenn keine Spannungen oder nur kleine Messspannungen an die und/oder über die Halbleitervorrichtung angelegt werden. Innerhalb dieser Spezifikation werden die Ausdrücke „in ohmscher Verbindung“, „in resistiver elektrischer Verbindung“, „elektrisch gekoppelt“ und „in resistiver elektrischer Verbindung“ gleichbedeutend verwendet. In dem Zusammenhang der vorliegenden Spezifikation soll der Ausdruck „in ohmschem Kontakt“ beschreiben, dass sich zwei Elemente oder Teile einer Halbleitervorrichtung in direktem mechanischem Kontakt und in ohmscher Verbindung befinden.
  • Die Begriffe „elektrischer Anschluss“ und „elektrisch verbunden“ sollen eine ohmsche Verbindung zwischen zwei Merkmalen beschreiben.
  • Im Rahmen der vorliegenden Spezifikation soll der Ausdruck „MOS“ (Metal-Oxide-Semiconductor - Metall-Oxid-Halbleiter) als den allgemeineren Begriff „MIS“ (Metal-Insulator-Semiconductor - Metall-Isolator-Halbleiter) beinhaltend verstanden werden. Zum Beispiel sollte der Ausdruck MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor - Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) so verstanden werden, dass er FETs mit einem Gate-Isolator beinhaltet, der kein Oxid ist, d. h. der Begriff MOSFET wird jeweils mit der allgemeineren Ausdrucksbedeutung eines IGFET (Insulated-Gate Field-Effect Transistor - Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) und MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor - Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet. Der Ausdruck „Metall“ für das Gate-Material des MOSFET sollte als elektrisch leitfähige Materialien, wie z.B. ein Metall, Legierungen, dotierte polykristalline Halbleiter und Metallhalbleiterverbindungen wie Metallsilicide, beinhaltend oder umfassend verstanden werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Spezifikation soll der Ausdruck „Gateelektrode“ eine Elektrode beschreiben, die sich neben dem Bodygebiet befindet und von diesem isoliert ist und dazu konfiguriert ist, ein Kanalgebiet durch das Bodygebiet zu bilden und/oder zu steuern.
  • Im Rahmen der vorliegenden Spezifikation soll der Ausdruck „Feldelektrode“ eine Elektrode beschreiben, die neben einem Halbleitergebiet, typischerweise dem Driftgebiet, angeordnet ist, von dem Halbleitergebiet isoliert ist und dazu konfiguriert ist durch Laden auf eine geeignete Spannung, typischerweise eine negative Spannung mit Bezug auf das umgebende Halbleitergebiet für ein n-Typ-Halbleitergebiet, einen verarmten Teil in dem Halbleitergebiet zu erweitern.
  • Im Kontext der vorliegenden Spezifikation soll mit dem Begriff „ausräumbares Gebiet“ oder „ausräumbare Zone“ beschrieben werden, dass ein entsprechendes Halbleitergebiet oder die entsprechende Halbleiterzone im Wesentlichen vollständig verarmt (im Wesentlichen frei von freien Ladungsträgern) ist, wenn sich die Halbleiterkomponente im Sperrbetrieb befindet, wobei eine angelegte Sperrspannung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Zu diesem Zweck wird die Dotierungsladung der ausräumbare Zone dementsprechend festgelegt, und das ausräumbare Gebiet ist, in einer oder mehreren Ausführungsformen, ein schwach dotiertes Gebiet. Im Sperrbetrieb bildet/bilden die ausräumbaren Zone(n), die auch als Raumladungszone(n) bezeichnet wird/werden, typischerweise ein zusammenhängendes ausräumbares Gebiet, wobei der Stromfluss zwischen den beiden mit dem Halbleiter verbundenen Elektroden oder Metallisierungen verhindert werden kann.
  • Der Begriff „pn-Übergang“ soll in dieser Spezifikation die Grenzfläche zwischen angrenzenden Halbleitergebieten oder Halbleiterbereichen verschiedener Leitungstypen beschreiben.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen, die sich auf Halbleitervorrichtungen und Herstellungsverfahren zur Ausbildung von Halbleitervorrichtungen beziehen, hauptsächlich unter Bezugnahme auf Silizium- (Si-) Halbleitervorrichtungen beschrieben. Dementsprechend ist ein/e monokristalline/s Halbleitergebiet oder Halbleiterschicht typischerweise ein/e monokristalline/s Si-Gebiet oder Si-Schicht. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Halbleiterkörper aus jedem Halbleitermaterial gefertigt werden kann, das zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung geeignet ist. Wenn der Halbleiterkörper ein Material mit großer Bandlücke umfasst, z.B. SiC oder GaN, das eine hohe DurchbruchFeldstärke beziehungsweise eine hohe kritische Lawinendurchbruch-Feldstärke aufweist, kann die Dotierung der entsprechenden Halbleitergebiete höher gewählt werden, wodurch der Durchlasswiderstand Ron, der im Folgenden auch als On-Widerstand Ron bezeichnet wird, verringert wird.
  • Mit Bezug zur 1 wird eine erste Ausführungsform eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 100 erläutert. 1 illustriert einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 des Halbleiterbauelements 100. Der Halbleiterkörper 40 erstreckt sich zwischen einer ersten Seite, typischerweise einer ebenen ersten Oberfläche 101, die in einer vertikalen Richtung orientiert ist bzw. diese definiert, und einer zweiten Seite, typischerweise einer ebenen zweiten Oberfläche (Rückseite) 102, die gegenüberliegend zur ersten Oberfläche 101 angeordnet ist.
  • Der Halbleiterkörper 40 enthält ein monokristallines Driftgebiet 1 eines Halbleitermaterials wie Silizium, das mit ersten Dotierstoffen (Dopanden) des ersten Leitungstyps) dotiert ist, die typischerweise eine erste Zahl von freien Ladungsträgern pro Einheit im Halbleitermaterial bereitstellen. In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist das Driftgebiet 1 vom n-Typ, d.h. dotiert mit Dotierstoffen vom n-Typ. Zum Beispiel kann es sich bei dem Halbleitermaterial um Silizium und bei den Dotierstoffen vom n-Typ um elektrisch aktive Phosphor- oder Arsenverunreinigungen handeln, die pro Einheit jeweils ein Elektron bereitstellen.
  • Der Halbleiterkörper 40 umfasst typischerweise ein monokristallines Basissubstrat 3 des Halbleitermaterials an der zweiten Oberfläche 102 und mindestens eine Schicht, typischerweise mindestens eine epiptaktische Schicht (Epitaxieschicht) 1 des gleichen Halbleitermaterials, die darauf gebildet ist und sich bis zur ersten Oberfläche 101 erstreckt. Die Verwendung der epitaktischen Schicht(en) bietet mehr Freiheit bei der Gestaltung der Hintergrunddotierung des Materials, weil die Dotierungskonzentration (Dotierstoffkonzentration) während des Abscheidens der epitaktischen Schicht oder Schichten angepasst werden kann.
  • Auf der zweiten Seite 102 ist eine Drainmetallisierung 11 in ohmscher Verbindung mit dem Driftgebiet 1 angeordnet. Wie in 1 dargestellt ist, kann die Drainmetallisierung 11 im Wesentlichen oder komplett die zweite Seite 102 bedecken.
  • Ein Draingebiet 3, das zwischen dem Driftgebiet 1 und der Drainmetallisierung angeordnet ist, kann sich bis zur zweiten Seite 102 erstrecken und ist typischerweise in ohmschem Kontakt mit der Drainmetallisierung 11.
  • 1 zeigt drei Bodygebiete 5, 5' vom p-Typ, die im Halbleiterkörper 40 an der ersten Seite 101 angeordnet sind. Jedes der Bodygebiete 5, 5' bildet einen ersten pn-Übergang 15 mit dem Driftgebiet 1.
  • Obwohl die Bodygebiete 5, 5' in dem gezeigten vertikalen Querschnitt voneinander separiert sind, können die beiden äußeren Bodygebiete 5 zusammenhängend sein.
  • Typischerweise sind die dargestellten Bodygebiete 5, 5' jedoch als separate Bodygebiete 5, 5' ausgeführt, zum Beispiel im Wesentlichen streifenförmig bei Betrachtung von oben, zumindest im dargestellten aktiven Bereich 120.
  • Im aktiven Bereich 120 ist eine Vielzahl von Gateelektroden 12 benachbart zur ersten Seite 101 angeordnet und elektrisch vom Halbleiterkörper 40 durch jeweilige Gatedielektrikumsgebiete 13c einer dielektrischen Schicht 13 isoliert. Dementsprechend können in einem Vorwärtsmodus des Feldeffekthalbleiterbauelements 100 jeweilige funktionsfähige schaltbare Kanalbereiche in den (aktiven) Bodygebieten 5 zum Bereitstellen einer niederohmigen Verbindung zwischen der Sourcemetallisierung 10 und dem Driftgebiet 1, und damit zwischen der Sourcemetallisierung 10 und der Drainmetallisierung 11 in dem exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel eines n-Kanal MOSFETs, gebildet werden.
  • In Ausführungsformen, die sich auf p-Kanal MOSFETs beziehen, sind die Dotierstoffverhältnisse umgekehrt.
  • Wie in 1 dargestellt wird, sind typischerweise an der ersten Seite 101 angeordnete, typischerweise hoch n-dotierte Sourcegebiete 2 in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung 10 zwischen einigen der Bodygebiete 5 und der ersten Seite 101 angeordnet. Die Sourcegebiete 2 bilden mit einem jeweiligen Bodygebiet 5 einen zweiten pn-Übergang, der vom ersten pn-Übergang (Übergängen) beabstandet ist.
  • Die Gateelektroden 12 und die schaltbaren Kanalbereiche (-gebiete) können den aktiven Bereich 120 definieren. Der aktive Bereich 120 kann auch über die Anwesenheit von Sourcegebieten und/oder aktiven Zellen 20, zum Beispiel MOSFET-Zellen zum Führen eines Laststroms zwischen der Sourcemetallisierung 10 und der Drainmetallisierung 11 definiert werden. Typischerweise entspricht 1 einem (kleinen) Ausschnitt eines aktiven Bereichs mit mehreren (einer Vielzahl von) MOSFET-Zellen 20.
  • Von oben betrachtet ist der aktive Bereich 120 typischerweise von einem in 1 nicht dargestellten peripheren Bereich (Randbereich) umgeben.
  • Die Gateelektroden 12 stehen in einer niederohmiger Verbindung mit der Gatemetallisierung G, die typischerweise auch auf der ersten Seite 101 angeordnet ist. Die Gatemetallisierung G, die typischerweise ein Gatepad bildet, kann in einem anderen Querschnitt und/oder außerhalb des in 1 dargestellten Ausschnitts gebildet sein. Daher ist die Gatemetallisierung G in 1 nur als gestricheltes Rechteck dargestellt.
  • In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Gateelektroden 12 auf der ersten Seite 101 angeordnet.
  • Wie in 1 dargestellt wird, können die Sourcegebiete 2 über Sourcekontakte 10p, die als durch die auf der ersten Seite 101 und zwischen der ersten Seite und der Sourcemetallisierung 10 angeordnete dielektrische Schicht 13 führende, flache Grabenkontakte ausgebildet sein können, mit der Sourcemetallisierung 10 in ohmscher Verbindung stehen. Die Sourcekontakte 10p können zum Beispiel als dotierte poly-Siliziumgebiete gebildet sein. In anderen Ausführungsbeispielen können sich die Sourcekontakte 10p durch die erste Seite 101 und in ein jeweiliges Sourcegebiet 2 erstrecken oder sogar in ein angrenzendes Bodygebiet 5.
  • in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind drei Kompensationsgebiete 6, 6' vom p-Typ zwischen der zweiten Seite 102 und einem jeweiligen Bodygebiet 5, 5' angeordnet. Jede der Kompensationsgebiete 6, 6' bildet einen jeweiligen weiteren pn-Übergang 16 mit dem Driftgebiet 1 und erstreckt sich zu dem jeweiligen Bodygebiet 5, 5'. Im folgenden werden die pn-Übergänge 16 auch als dritte pn-Übergänge bezeichnet.
  • Wie in 1 dargestellt wird, sind die Kompensationsgebiete 6, 6' in dem vertikalen Querschnitt typischerweise zumindest im Wesentlichen zentriert bezüglich der angrenzenden Bodygebiete 5, 5' (weisen eine jeweilige gemeinsame zentrale vertikale Achse auf).
  • Während die äußeren Kompensationsgebiete 6 in 1 an ein jeweiliges aktives Bodygebiet 5, in dem ein jeweiliges Kanalgebiet (Kanalbereich) gebildet werden kann, grenzen, grenzt in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel das zentrale Kompensationsgebiet 6' an ein inaktives Bodygebiet 5' ohne Sourcegebiet.
  • In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel stellen das inaktive Bodygebiet 5' und ein flacher Grabenkontakt 1012p (zum Beispiel aus dotierten poly-Si) eine niederohmige Verbindung zwischen dem Kompensationsgebiet 6' und der weiteren Metallisierung 1012, die auf der ersten Seite 101 angeordnet und von der Sourcemetallisierung 10 und der Gatemetallisierung G (und der Drainmetallisierung 11) beabstandet ist, bereit. Die weitere Metallisierung 1012 steht typischerweise nicht in niederohmiger Verbindung mit der Gatemetallisierung G, noch typischer nicht in einer ohmschen Verbindung von weniger als 50 Ohm oder 75 Ohm. Ein Widerstand zwischen der weiteren Metallisierung und der Gatemetallisierung G kann sogar größer sein als 1 M Ohm (106 Ohm).
  • Dementsprechend kann das Kompensationsgebiet 6' zumindest in einem ersten Vorwärtsmodus, in dem Inversionskanäle in den aktiven Bodygebieten 5 und zwischen den Sourcegebieten 2 und dem Driftgebiet 1 gebildet sind, im Wesentlichen auf einer ersten Spannung Ve liegen, die zum Beispiel (direkt) an die weitere Metallisierung 1012 angelegt wird, wie in 1 dargestellt, die sich von der an die Sourcemetallisierung 10 angelegten Sourcespannung Vs (typischerweise Masse), von der an die Gatemetallisierung G angelegten Gatepannung VG und von der die an die Drainmetallisierung 11 angelegten Drainspannung VD unterscheidet.
  • Für einen n-Kanal MOSFET ist die erste Spannung Ve typischerweise größer als die Sourcespannung Vs und niedriger als die Gatespannung VG (Vs < Ve < VG), sie kann aber auch die Gatespannung VG erreichen. Die erste Spannung Ve ist typischerweise größer als Vs+0,05*Vth, noch typischer in einem Bereich von Vs+0,1*Vth bis 0,9*VG, und sogar noch typischer in einem Bereich von Vs+0,8*Vth bis 0,8*VG. Dabei bezeichnet Vth die Schwellenspannung (auch als Schleusenspannung bezeichnet) des ersten pn-Übergangs 15 bzw. der Bodydiode bei Raumtemperatur (für Silizium ungefähr 0,7 V bei Raumtemperatur und beispielsweise ungefähr 0,4 V bei 125 °C). Wie weiter unten detaillierte erläutert wird, ermöglicht das Anlegen der ersten Spannung Ve an das Kombinationsgebiet 6' einen niedrigeren spezifischen Durchlasswiderstand Ron*A des Halbleiterbauelements 100 im Vergleich zu ähnlichen Halbleiterbauelementen, die nur Kompensationsgebiete haben, die mit der Sourcemetallisierung verbunden sind, insbesondere für geringe Abstände wn zwischen benachbarten Kompensationsgebiete 6, 6' bzw. geringe Pitches pi der Kompensationsgebiete 6, 6' (pi=wp + wn, wobei sich wp auf die horizontale Breite der Kompensationsgebiete 6, 6' in dem vertikalen Querschnitt bezieht).
  • Der Begriff „Pitch“ (Teilung), wie er in dieser Spezifikation verwendet wird, soll einen Abstand zwischen sich wiederholenden Elementen in einer Struktur mit translatorischer Symmetrie beschreiben und entspricht typischerweise der Länge eines Gittervektors der Struktur bzw. der Länge eines Basisvektors eines regulären Gitters.
  • In einem Ausführungsbeispiel bildet die weitere Metallisierung 1012 auch ein Pad. Dementsprechend ist das Halbleiterbauelement 100 als 4-Anschluss-Bauelement (Bauelement mit vier Anschlüssen) ausgeführt und die erste Spannung Ve kann als externe Spannung angelegt werden.
  • Wie in 1 durch den gestrichelten Widerstand R und die gestrichelte Verdrahtung dargestellt wird, kann das Halbleiterbauelement 100 alternativ dazu als 3-Anschluss-Bauelement ausgeführt sein. In diesen Ausführungsbeispielen kann die weitere Metallisierung 1012 (und damit das Kompensationsgebiet(e) 6') mit der Gatemetallisierung über den Widerstand R verbunden sein. Der Widerstand R stellt sicher, dass die erste Spannung Ve während des ersten Vorwärtsmodus im gewünschten Bereich (Vs < Ve < VG) liegt. Dementsprechend kann der Widerstand R als Vorwiderstand arbeiten.
  • Der Widerstand R kann auf der ersten Seite 101 und auf den Metallisierungen 10, 1012 bzw. G fest verdrahtet sein, d.h. als externer Widerstand realisiert sein.
  • Alternativ dazu kann der Widerstand auch durch einen ohmschen Strompfad (Widerstandsstrompfad) gebildet werden, insbesondere durch einen Streifenleiter aus z.B. entsprechend (je nach Geometrie) dotiertem Polysilizium, der unterhalb der Metallisierungen 10, 1012 und G angeordnet ist, z.B. auf und/oder unterhalb der ersten Seite 101. Dies wird unten erläutert, insbesondere mit Bezug zu 11 bis 14B.
  • Um den Leckstrom auf ein gewünschtes niedriges Niveau zu reduzieren, beträgt der elektrische Widerstand des Widerstandes R typischerweise mindestens 100 Ohm, typischerweise mindestens 1 k Ohm, noch typischer mindestens 2 k Ohm, z.B. 4 k Ohm +/-1 k Ohm für ein Bauelement mit einer Fläche des aktiven Bereichs von 1 mm2. Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich die absoluten Widerstandswerte des Widerstandes R (und eines Widerstandsstrompfades), die in der nachfolgenden Beschreibung angegeben sind, auch auf eine Fläche des aktiven Bereichs (aktive Chipfläche) von 1 mm2.
  • Andererseits ist der elektrische Widerstand des Widerstandes R typischerweise kleiner als etwa 100 k Ohm, noch typischer kleiner als etwa 20 k Ohm oder 10 k Ohm, sogar noch typischer als etwa 6 k Ohm. Andernfalls kann die erste Spannung Ve zu nahe an die Sourcespannung VS herankommen für einen signifikanten Vorteil bezüglich Ron*A.
  • Im Vergleich zu ähnlichen Halbleiterbauelementen mit Kompensationsgebieten, die mit der Sourcemetallisierung verbunden sind, kann das Halbleiterbauelement 100 höhere Schaltverluste aufweisen, insbesondere beim Ausschalten (da der Widerstand in dieser Phase typischerweise erhöht wird) und beim schnellen Einschalten. Letzteres liegt daran, dass das Kompensationsgebiet 6' beim Einschalten über den Widerstand R entladen wird. Beispielsweise ergibt sich bei Annahme, dass alle Kompensationsgebiete 6' eines typischen 600 V-Kompensationshalbleiterbauelements mit einer aktiven Fläche von 1 mm2 beim Einschalten mit der Gatespannung Vg (VGS=VG-VS=VG) über einen 20 k Ohm - Widerstand R mit einer Gesamtladung von 20 nC geladen werden, eine Entladezeit t von t=20nC/(10V/20kOhm) = 20nC/0,5mA = 40 µs.
  • Das Halbleiterbauelement 100 kann daher insbesondere als Schalter in Schaltungen eingesetzt werden, in denen die Schaltverluste von untergeordneter Bedeutung sind, insbesondere als statischer Transferschalter, d.h. als elektrischer Schalter, der eine Last zwischen zwei Quellen schaltet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Halbleiterbauelement 100 weiterhin einen Schalter (nicht in 1 dargestellt), der es erlaubt, zwischen dem gestrichelten Strompfad, der die weitere Metallisierung 1012 über den Widerstand R mit der Gatemetallisierung G verbindet, und einem alternativen Strompfad, der die weitere Metallisierung 1012 niederohmig mit der Sourcemetallisierung 10 verbindet, zu wechseln. Dadurch werden die Schaltverluste reduziert. Ein solches Halbleiterbauelement 100 kann auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen auch schnelle Schaltzeiten auftreten, wie z.B. in Schaltnetzteilen (SMPS, switch mode power supplies).
  • Darüber hinaus können die Schaltverluste weiter reduziert werden, wenn einige der Kompensationsgebiete 6 mit der Sourcemetallisierung 10 verbunden sind, wie in 2 für das Halbleiterbauelement 200 dargestellt wird.
  • Im Folgenden werden die Kompensationsgebiete 6', die in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung G oder der weiteren Metallisierung 1012 stehen auch als erste Kompensationsgebiete 6' bezeichnet und die Kompensationsgebiete 6, die schweben (floaten) oder typischer in einer (niedrig) ohmschem Verbindung mit der Sourcemetallisierung 10 stehen auch als zweite Kompensationsgebiete 6 bezeichnet.
  • Entsprechend einer Ausführungsform werden die Dotierungskonzentrationen der Kompensationsgebiete 6, 6' und der mit den Kompensationsgebiete 6, 6' alternierenden Anteile des Driftgebiets (Driftabschnitte, Driftbereiche) 1 so gewählt, dass sich im ausgeschalteten Zustand ihre Ladungen gegenseitig kompensieren (verbrauchen) können und dass im eingeschalteten Zustand ein ununterbrochener, niederohmiger Leitungsweg (Leitungspfad) von der Source-Metallisierung 10 bis zur Drain-Metallisierung 11 gebildet wird.
  • Eine Gesamtzahl freier Elektronen, die von n-Typ Dotierstoffen bereitgestellt werden, entspricht typischerweise im Wesentlichen einer Gesamtzahl freier Löcher, die von p-Typ Dotierstoffen bereitgestellt werden, zumindest im aktiven Bereich 120. Typischerweise variiert die Gesamtzahl der freien Elektronen, die von den n-Typ Dotierstoffen bereitgestellt werden, um weniger als 5%, typischerweise weniger als 1% von der Gesamtzahl der freien Löcher, die von den p-Typ Dotierstoffen bereitgestellt werden. Dementsprechend bilden die Driftanteile 1 und die ersten Kompensationsgebiete 6 eine pn-Kompensationsstruktur 1, 6, 6'.
  • Wie in 2 für das Ladungskompensationshalbleiterbauelement 200 dargestellt, das dem oben erläuterten Ladungskompensationshalbleiterbauelement 100 in Bezug auf 1 ähnlich ist, können einige der Kompensationsgebiete 6, nämlich die zweiten Kompensationsgebiete 6, in niederohmiger Verbindung mit der Sourcemetallisierung 10 stehen.
  • Beispielsweise können sich Sourcekontakte 10p durch das jeweilige Sourcegebiet 2 in das angrenzende Bodygebiet 5 (siehe gestrichelte Linien in den Kontakten 10p, 1012p) und sogar in das jeweilige zweite Kompensationsgebiet 6 erstrecken. Im letzteren Fall teilen die Sourcekontakte 10p das jeweilige Bodygebiet 5, im dargestellten vertikalen Querschnitt, in zwei Teile, die (von oben gesehen) jedoch zusammenhängend sein können.
  • Weiterhin können höher p-dotierte Bodykontaktgebiete (nicht dargestellt) zwischen den Sourcekontakten 10p und den Bodygebieten 5 bzw. zwischen der Sourcemetallisierung 10 und den Bodygebieten angeordnet sein.
  • Die Kontaktierung der aktiven Bodygebiete 5 mit der Sourcemetallisierung 10 gewährleistet eine hohe Latch-up-Stabilität des Halbleiterbauelements 200. Weiterhin können Schaltverluste durch die Kontaktierung der zweiten Kompensationsgebiete 6 mit der Sourcemetallisierung 10 reduziert werden.
  • Ähnlich dazu, kann sich der flache Grabenkontakt 1012p durch die erste Seite 101 in das inaktive Bodygebiet 5' und sogar in das ersten Kompensationsgebiet 6' erstrecken.
  • Die ersten und zweiten Kompensationsgebiete können alternierend angeordnet sein bzw. ein reguläres Gitter bilden. Beispielsweise kann jedes zweite oder dritte Kompensationsgebiet ein zweites Kompensationsgebiet 6 sein.
  • Typischerweise wird zumindest die Hälfte der Kompensationsgebiete von ersten Kompensationsgebiet in 6' gestellt.
  • 3 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 300. Das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 300 ähnelt dem Halbleiterbauelement 200, das oben mit Bezug zur 2 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET implementiert.
  • Jedoch grenzt keines der ersten und zweiten Kompensationsgebiete 6, 6' an ein Bodygebiet 5, 5' an. Vielmehr sind die ersten und zweiten Kompensationsgebiete 6, 6' von den jeweils nächsten (benachbarten) Bodygebiet 5, 5' durch einen oberen Teil des Driftgebiet 1 getrennt.
  • Der Abstand zwischen den Kompensationsgebieten 6, 6' und dem nächsten Bodygebiet 5, 5' kann in einem Bereich von ungefähr 0,5 µm bis zu ungefähr 2 µm liegen.
  • Der Übersichtlichkeit halber ist keine der in 1 und 2 gezeigten Verdrahtung in 3 dargestellt.
  • 4 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 400. Das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 400 ähnelt dem Halbleiterbauelement 300, das oben mit Bezug zur 3 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Jedoch sind alle Kompensationsgebiete 6' in niederohmiger Verbindung mit der Gatemetallisierung G. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in 4 auf die Darstellung von Details der ohmschem Verbindungen zwischen den Kompensationsgebiete 6' verzichtet. Beispielsweise können die Kompensationsgebiete 6' miteinander in einem anderen vertikalen Querschnitt über Teilbereiche vom p-Typ miteinander verbunden sein.
  • Weiterhin ist jedes der Kompensationsgebiete 6' unterhalb und beabstandet von dem nächsten der aktiven Bodygebiete 5 angeordnet.
  • Der Abstand zwischen den Kompensationsgebieten 6' und dem nächsten Bodygebiet 5 kann so gewählt werden wie es oben mit Bezug zur 3 erläutert wurde.
  • Typischerweise sind im aktiven Bereich 120 eine Vielzahl, z.B. mehr als zehn, alternierender n-Typ-Driftabschnitte (Driftbereiche) 1a und p-Typ-Kompensationsgebiete 6, 6' angeordnet.
  • Im vertikalen Querschnitt können die p-Typ-Kompensationsgebiete 6, 6' als vertikal ausgerichtete Säulen, im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Parallelepipede, Rechtecke (Wände) oder Ellipsoide ausgebildet werden.
  • Im Folgenden werden Driftbereiche vom n-Typ (n-Typ-Driftbereiche) 1a auch als n-Typ-Wandbereiche 1a bzw. erste Wandbereiche 1a (des ersten Leitungstyps) und die Kompensationsgebiete vom p-Typ (p-Typ-Kompensationsgebiete) 6, 6' auch als Wandbereiche vom p-Typ (p-Typ-Wandbereiche) 6, 6' bzw. zweite Wandbereiche 6, 6' (des zweiten Leitfähigkeitstyps) bezeichnet.
  • Die Kompensationsgebiete vom p-Typ 6, 6' können beispielsweise in vertikalen Gräben mittels selektive epitaktische Abscheidung gebildet werden.
  • Typischerweise kann der Dotierungsgrad (Dotierung) n der Driftabschnitte 1a (und der Kompensationsgebiete 6, 6') proportional zum inversen Pitch (n~1/pi) erhöht werden, wenn deR Pitch pi reduziert wird. Somit bleibt die Leitfähigkeit eines einzelnen Driftabschnittes 1a mit abnehmendem Pitch pi annähernd konstant, und der flächenspezifische Einschaltwiderstand Ron*A nimmt mit dem Pitch pi ab. Die durch einen pn-Übergang 16 entfernbare Ladung Q bleibt in erster Näherung konstant: Wird die maximale Feldstärke (Durchbruchfeldstärke EBR) als konstant angesehen, so ist die maximale Ausdehnung der Raumladungszone umgekehrt proportional zur Dotierung. Wenn die maximale Feldstärke (Durchbruchfeldstärke EBR) als konstant betrachtet wird, ist die maximale Ausdehnung der Raumladungszone umgekehrt proportional zur Dotierung. Allerdings steigt mit zunehmender Dotierung n aufgrund der abnehmenden Ladungsträgermobilität die Durchbruchfeldstärke EBR und dementsprechend auch die Durchbruchsladung Qbr=Q(EBR) an. So beträgt z.B. die Durchbruchsladung Qbr für Silizium ca. 1012 / cm2 bei einer Dotierung von 1013 / cm3, ca. 2*1012 / cm2 bei 1015 / cm3 und ca. 3,5*1012 / cm2 bei 1017 / cm3.
  • In Silizium bildet sich bei Raumtemperatur eine Potentialdifferenz von ca. 0,7 V, ohne dass am pn-Übergang 16 eine externe Spannung angelegt wird. Diese Spannungsdifferenz ist mit der Bildung einer Raumladungszone 18 verbunden. Der Übersichtlichkeit halber ist in 4 nur eine Raumladungszone 18 dargestellt. Die Raumladungszonen 18 können die Miniaturisierung („downscaling“) des Halbleiterbauelements begrenzen.
  • Die Kurve a in 5 zeigt eine berechnete Beziehung zwischen der Durchbruchsladung Qbr und dem n-Dotierungsgrad der Si-Driftabschnitte vom n-Typ. Die Kurve c bezieht sich auf die Ladung, die aus dem Si-Driftabschnitt entfernt wird, wenn eine Spannung von 0,7 V über den pn-Übergang 16 abfällt. Kurve b stellt das Verhältnis zwischen Kurve a und Kurve c in % dar. Dementsprechend steigt mit dem Dotierungsgrad n der Anteil der durch die Schwellenspannung von 0,7 V entfernten Durchbruchsladung Qbr, so dass sich mit dem Dotierungsgrad n die für den Stromtransport verfügbare Restfraktion (der Durchbruchsladung) verringert.
  • Bei einem Dotierungsgrad in der Größenordnung von 1017 / cm3 kann dies zu einer Verschlechterung von Ron * A führen, wenn alle Kompensationsgebiete mit dem Sourcepotential (Sourcemetallisierung) verbunden sind. Unter der Annahme einer typischen Drainspannung von 1 V während des Bauelementbetriebs im Vorwärtsmodus wird die Potentialdifferenz zwischen den Kompensationsgebieten und den Driftabschnitten in der Nähe von Drain um 1 V auf 1,7 V erhöht - in diesen Bauelementen. Dadurch kann der Anteil der für den Stromtransport zur Verfügung stehenden Durchbruchsladung Qbr massiv weiter reduziert werden.
  • Diese Effekte werden zumindest reduziert, wenn eine oder mehrere Kompensationsgebiete 6' mit einem Potenzial oberhalb der Sourcespannung verbunden werden, zum Beispiel über einen Widerstand mit der Gatespannung verbunden werden.
  • Typischerweise kann der elektrische Widerstand des Widerstandes so gewählt werden, dass die Kompensationsgebiete 6' auf einem Potenzial nahe der Sourcespannung plus der Schwellenspannung der Bodydiode liegen.
  • 6 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 500. Das Ladungskompensations- Halbleiterbauelement 500 ähnelt dem Halbleiterbauelement 400, das oben mit Bezug zur 4 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Jedoch hat jedes der Kompensationsgebiete 6, 6' des Ladungskompensationshalbleiterbauelements 500 einen oberen Abschnitt (Anteil) 6 in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung 10 und einen unteren Abschnitt 6', der vom oberen Abschnitt 6 durch einen Abschnitt des Driftgebiets 1 beabstandet ist.
  • Der vertikale Abstand zwischen den oberen und unteren Abschnitten kann in einem Bereich von ca. 0,5 µm bis ca. 2 µm liegen.
  • 7 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 600. Das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 600 ähnelt dem Halbleiterbauelement 400, das oben mit Bezug zur 4 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Jedoch ist zwischen einer Gateelektrode 12 und einem dieser Gateelektrode am nächsten liegenden der ersten Kompensationsgebiete 6' ein Widerstand R gebildet, typischerweise als ohmscher Strompfad, noch typischer im Wesentlichen als Streifenleiter, der im Wesentlichen parallel zur ersten Seite 101 verläuft.
  • Wenn die ersten Kompensationsgebiete 6' über einen Widerstand R mit der Gateelektrode 12 verbunden sind, kann ein kleiner Strom von der Gateelektrode 12 in die ersten Kompensationsgebiete 6' und über den/die pn-Übergang(e) 16 in das Driftgebiet 1 fließen.
  • Wenn der Widerstand von R hoch ist, erzeugt der zusätzliche Gatestrom einen hohen Spannungsabfall über dem Widerstand. Dementsprechend kann sich das Kompensationspotenzial nicht nennenswert erhöhen. Ist der Widerstand von R sehr klein, so steigt das Kompensationspotential bei Raumtemperatur auf ca. 0,7 V (in Si). Weiterhin kann der Leckstrom (ohmsche Verluste) für sehr kleine Widerstände von R zu hoch sein.
  • 8 illustriert einen berechneten Flächengewinn Arel in Prozent der Ladungskompensationshalbleiterbauelemente mit den ersten Kompensationsbereichen 6', wie hierin erläutert. Die Kurve a illustriert den möglichen Gewinn in der aktiven Fläche Arel (bei konstanten Gesamtverlusten) im Vergleich zu einem Ladungskompensations-Halbleiterbauelement mit Kompensationsbereichen auf Sorcepotential. Die Kurve a wurde für eine Gatespannung (VGS=VG-VS=VG) von 10 V erhalten, wobei der durch das verringerte Ron * A erreichbare Flächengewinn berücksichtigt ist. Die zusätzlichen Verluste durch den statischen Gatestrom sind ebenfalls berücksichtigt, genauer gesagt durch die Berechnung und Berücksichtigung der zusätzlichen Fläche des MOSFETs, die für die Ableitung der zusätzlichen Wärme durch den zusätzlichen (statischen) Gatestrom zur Vermeidung einer zusätzlichen Temperaturerhöhung erforderlich ist. Wenn die Widerstände (in 8 angegeben als Widerstand R multipliziert mit der aktiven Fläche A) zu klein sind, sind die Verluste durch den Gatestrom hoch. Bei einem entsprechenden Widerstand im Bereich von 4 kOhm mm2 +/- 2 kOhm mm2 kann die aktive Chipfläche (Bauelementfläche) jedoch um ca. 10% reduziert werden. In diesem Widerstandsbereich liegen die Gateverluste bei ca. 2%. Es wird eingeschätzt, dass das Gerät in einem noch günstigeren Bereich betrieben werden kann, wenn die Gatespannung niedriger ist.
  • Die gestrichelte Kurve curve b zeigt das Potenzial der Kompensationsgebiete (am Kontakt) für eine Drain-Source-Spannung (VDS = VD - VS = VD) von 1 V.
  • Abhängig vom Bauelementbetrieb bestimmen die Ausgangsladung („output charge“) QOSS, die Ausgangskapazität („output capacitance“) COSS bzw. die elektrische Energie EOSS, die im Raumladungsbereich im ausgeschalteten Zustand bzw. bei Sperrsapnnungsbetrieb („Reverse Bias“) gespeichert sind, hauptsächlich die Schaltverluste. Die gespeicherte Ladung QOSS von Halbleiterbauelementen mit Ladungskompensationsstrukturen kann vergleichsweise hoch sein. Dies kann zu erheblichen Schaltverlusten EOSS führen. Zusätzlich zum Ermöglichen der Rückwärtssperrung ist die Ausgangsladung QOSS (bei bestimmter Sperrspannung) vollständig zu entfernen, was zu Schaltverzögerungen führt.
  • Im Folgenden werden die passiven Verluste Epas, die sich aufgrund der ersten Kompensationsgebiete 6' ergeben, abgeschätzt. Die ersten Kompensationsgebiete 6' werden von der Drainseite her auf ihre positive Spannung aufgeladen. Das bedeutet, dass Löcher aus den ersten Kompensationsgebiet in 6' in eine Driftschicht des Driftgebiets 1 zwischen den ersten Kompensationsgebieten 6' und den Bodygebieten 5 fließen. Im ausgeschalteten Zustand durchströmen die aus Coss resultierenden Löcher den pn-Übergang 16 in Flussrichtung und durch eine Raumladungszone zwischen den ersten Kompensationsgebieten 6' und den Bodygebieten 5. Die Spannung zwischen den ersten Kompensationsgebieten 6' und den Bodygebieten 5 wird durch die Punch-Spannung UP der Driftschicht definiert, die auf kleine Werte begrenzt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Punchspannung UP auf Werte kleiner als 0,7 V oder sogar 0,5 V (die Schwellenspannung des pn-Übergangs 16) eingestellt. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Dicke und des Dotierungsgrades der n-dotierten Region zwischen den ersten Kompensationsgebieten 6' und den Bodygebieten 5 erreicht werden. Es wird angemerkt, dass sowohl die Reduzierung des Abstands als auch der Dotierungsgrad die Punchspannung verringern. Dementsprechend wird auch das Potential der ersten Kompensationsgebiete 6' im Vorwärtsmodus durch UP begrenzt, und die zusätzlichen Schaltverluste betragen etwa UP * Qoss.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsformen wird die Punchspannung UP auf Werte oberhalb der Schwellenspannung des PN-Übergangs 16 eingestellt. Während dies für den Vorwärtsbetrieb vorteilhaft ist, steigen die Schaltverluste entsprechend mit UP.
  • Bei hart-schaltenden („hard-switching“) Anwendungen ist der Anstieg der Schaltverluste jedoch im Vergleich zu anderen Verlusten eher gering. Epas ist typischerweise ohnehin niedrig in hart-schaltenden Anwendungen. Für resonante Topologien, bei denen die Gesamtverluste hauptsächlich von Epas bestimmt werden, kann die Erhöhung der Schaltverluste von größerer Bedeutung sein. In hart-schaltenden Topologien wird der MOSFET von (zu) relativ hohen Drain-Source-Spannungen VDS, typischerweise von mindestens etwa 100 V oder sogar mindestens 400 V, ein- bzw. ausgeschaltet, während in resonanten Topologien das Gerät von (zu) kleinen Drain-Source-Spannungen VDS von typischerweise weniger als 10 V ein- bzw. ausgeschaltet wird.
  • Darüber hinaus können Schaltverluste erheblich reduziert werden, wenn die Ladungskompensations-Halbleiterbauelemente mit der hierin beschriebenen weiteren Metallisierung in einer Schaltung verwendet werden, die weiterhin eine Steuerschaltung mit einem Sourceeingang, einem Gateeingang, einem Steuereingang und einem mit der weiteren Metallisierung verbundenen gesteuerten Ausgang aufweist, wobei die Steuerschaltung über den Steuereingang zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar ist. Der Sourceeingang und der gesteuerte Ausgang sind im ersten Zustand kurzgeschlossen, und der Gateeingang und der gesteuerte Ausgang sind im zweiten Zustand kurzgeschlossen oder über einen Widerstand mit einem elektrischen Widerstand von mindestens 100 Ohm und typischerweise höchstens 100 k Ohm elektrisch miteinander verbunden.
  • 9 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 601. Das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 601 ähnelt dem Halbleiterbauelement 600, das oben mit Bezug zur 7 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Das Ladungskompensationshalbleiterbauelement 601 hat jedoch weiterhin eine Diode D, die die Sourcemetallisierung 10 direkt mit den ersten Kompensationsgebieten in 6' verbindet, typischerweise eine (Poly-Si)-pn-Diode, die einen gleichrichtenden Strompfad zwischen der Sourcemetallisierung 10 und den ersten Kompensationsgebieten 6' bildet. Dementsprechend können die ersten Kompensationsgebiete 6' beim Ausschalten über die Diode D entladen werden. So können die passiven Verluste (Epas) weiter reduziert werden.
  • 10 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 602. Das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 602 ähnelt dem Halbleiterbauelement 600, das oben mit Bezug zur 7 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Jedoch sind die Gateelektroden 12 als Grabengateelektroden ausgeführt, d.h. als Elektroden, die in Gräben angeordnet sind, die sich von der ersten Seite 101 durhc ein jeweiliges Bodygebiet 5 in das Driftgebiet 1 erstrecken. Dementsprechend können die jeweiligen Sourcegebiete 2 und Bodygebiete 5 im vertikalen Querschnitt durch die Grabengateelektroden 2, 13c in entsprechende Abschnitte unterteilt sein.
  • Die 11 und 12 zeigen zwei typischerweise zueinander parallele Querschnitte durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 700. Das Ladungskompensationshalbleiterbauelement 700 ähnelt dem Halbleiterbauelement 602, das oben mit Bezug zur 10 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Jedoch ist unter jeder der Grabengateelektroden 12, 12', 12" eine entsprechende Feldelektrode 12f, 12f' angeordnet, typischerweise in einem entsprechenden gemeinsamen Graben, der sich in das Driftgebiet 1 erstreckt und von dem Driftgebiet 1 durch einen Felddielektrikumsbereich getrennt ist. Während die Feldelektroden 12f (wie die GateElektroden 12, 12', 12") während des Bauelementbetriebs Äquipotentialbereiche bilden können, typischerweise auf Gate- oder Sourcespannung, bildet die Feldelektrode 12f' einen zusammenhängenden Streifenleiter (Widerstand, daher auch unterhalb der linken Gate-Elektrode 12"), grenzt an die linke Gateelektrode 12' und in einer Kontaktzone an einen Erweiterungsabschnitt des rechten Kompensationsgebiets 6.
  • Dementsprechend ist der in 10 gezeigte Widerstand R als Streifenwiderstand unterhalb der Gateelektroden ausgeführt. Im Folgenden werden die Feldelektroden 12f auch als erste Feldelektrode und die Feldelektrode 12f' als zweite Feldelektrode 12f' bezeichnet.
  • Streng genommen ist die zweite Feldelektrode 12f' keine Feldelektrode, da sie während des Bauelementbetriebs kein Äquipotentialbereich ist. Die zweite Feldelektrode 12f' kann daher als Feldwiderstand und Grabenfeldwiderstand bezeichnet werden. Ihre Form und Herstellung sind jedoch ähnlich wie bei normalen (Graben-)Feldelektroden, mit Ausnahme der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des Dotierungsgrades.
  • Die zweite Feldelektrode 12f' kann auch durch Poly-Si gebildet werden. Beispielsweise kann die Feldelektrode 12f' durch einen Siliziumstreifen oder -stab mit einem beispielhaften spezifischen Widerstand von 10 Ohm/Quadrat (in vertikaler Richtung; 10 Ohm/square) gebildet werden, der 14 k Ohm pro mm seiner Länge in horizontaler Richtung entspricht. So kann der gewünschte Vorwiderstand zwischen der Gatemetallisierung und den Kompensationsgebieten 6' sogar in einem Graben realisiert werden.
  • Zwischen der Gateelektrode 12' und der Feldelektrode 12f' bzw. zwischen der Feldelektrode 12f' und dem (linken) Kompensationsgebiet 6' kann es mehr als einen Kontaktbereich geben.
  • Das Bilden des/der Kontakt(e) zwischen der Feldelektrode 12f' und den (linken) Kompensationsbereichen 6' kann ein lokales Entfernung des Felddielektrikums 13 beinhalten. Die Kontakte können als vertikale oder seitliche Kontakte ausgebildet werden.
  • In Ausführungsformen, die sich auf wand- oder streifenförmige Kompensationsgebiete 6' beziehen, ist es möglich, jedes der Kompensationsgebiete 6' einzeln an einem (oder zwei) Endabschnitten zu kontaktieren.
  • Durch die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes der Feldelektrode 12f' wird das an den Kompensationsgebieten 6' anliegende elektrische Potential automatisch und durch den kurzen Abstand zu den Kanalbereichen schnell und in gewünschter Weise an die Temperatur des Halbleiterbauelements angepasst (höheres elektrisches Potential für höhere Bauelementtemperaturen). Insbesondere kann auf diese Weise - auch bei hohen Bauelementtemperaturen - ein möglichst hohes elektrisches Potential an die Kompensationsgebiete 6' angelegt werden.
  • Anzumerken ist, dass die typischerweise verwendeten Gate-Oxid-Stresstests weiterhin durchgeführt werden können. Entweder wird der Leckstrom berücksichtigt, der durch den Vorwiderstand vom Gate zum Drain fließt, oder es wird eine höhere Spannung an Drain angelegt als am Gate, um den Leckstrom zu unterdrücken.
  • 13A und 13B zeigen beispielhaft die Anordnung der Vorwiderstände R, 12f' von Ladungskompensationshalbleiterbauelementen 701, 702, die dem Halbleiterbauelement 700 ähnlich sein können, das oben mit Bezug zur 12 erläutert wurde. Zur Anpassung des elektrischen Widerstands des (hochohmigen) Vorwiderstandes bzw. zur Reduzierung der Strombelastung können mehrere Streifen in Reihe ( oder parallel geschaltet werden ( .
  • Wie in 13C für das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 703 dargestellt ist, kann der Vorwiderstand R auch als Poly-Si-Streifenwiderstand 12R im Randbereich 110 realisiert werden, typischerweise auf der ersten Seite 101 bzw. der dielektrischen Schicht 13.
  • In einer horizontalen Richtung, die im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche 101 ist, wird der Halbleiterkörper 40 typischerweise durch einen Rand oder eine Kante 41, zum Beispiel eine Sägekannte, begrenzt, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten Oberfläche 101 ist. Im Folgenden wird die Kante (Rand) 41 auch als seitliche Kante (Rand) 41 bezeichnet. Typischerweise umgibt (umschließt) der periphere Bereich 110 (der seitliche Rand 41) den aktiven Bereich 120 von oben gesehen.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 13C alle Details des aktiven Bereichs 120 weggelassen.
  • Alternativ dazu kann der Vorwiderstand im aktiven Bereich 110 als Poly-Si-Region 12R oberhalb der ersten Seite 101 bzw. auf der dielektrischen Schicht 13 realisiert werden, wie in für das Ladungskompensationshalbleiterbauelement 704 dargestellt, oder unterhalb der ersten Seite 101 als Poly-Si-Region 12R, die dielektrisch isoliert ist, mit Ausnahme der Kontaktflächen (nicht dargestellt), wie in für das Ladungskompensationshalbleiterbauelement dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in den , keine detaillierten Angaben zum aktiven Bereich 110 gemacht.
  • 15 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper 40 eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements 800. Das Ladungskompensations-Halbleiterbauelement 800 ähnelt dem Halbleiterbauelement 700, das oben mit Bezug zur 12 erläutert wurde, und ist auch als Ladungskompensations-MOSFET ausgeführt.
  • Der Kontakt zwischen den Kompensationsgebiete 6' und dem als Feldelektrode 12f' implementierten Vorwiderstand wird jedoch über eine Metallisierung 20 realisiert, die auf der dielektrischen Schicht 13 angeordnet ist, die direkt an die Feldelektrode 12f' angrenzt.
  • In dem exemplarischen Ausführungsbeispiel erstreckt sich das rechte Kompensationsgebiet 6' bis in die inaktive Bodyregion 5', die über den Kontaktbereich 20p mit der Metallisierung 20 verbunden ist.
  • Wie in 16 für das Ladungskompensationshalbleiterbauelement 900 dargestellt ist, kann der Kontakt zwischen einem (Poly-Si) Vorwiderstand 12R, R, der auf der ersten Seite 101 angeordnet ist, und den Kompensationsgebieten 6' auch vertikal über ein (Poly-Si) Grabenkontakt 12p erfolgen, der sich in das inaktive Bodygebiet 5' erstreckt.
  • Wie in den 17A und 17B für die Halbleiterkompensationsbauelemente 901 und 902 dargestellt ist, kann der Kontakt zwischen dem Vorwiderstand R und den ersten Kompensationsgebieten 6' über ein inaktives Bodygebiet 5', bis zu dem sich ein erstes Kompensationsgebiet 6' erstreckt (17A) oder ein seitlichen Erweiterungsbereich 6e' des Kompensationsgebiet 6' (17B, see also 12) realisiert werden.
  • Ladungskompensationshalbleiterbauelemente können in einem sogenannten „Multi-Epitaxie“-Verfahren hergestellt werden. In diesem Fall wird eine n-dotierte epitaktische Schicht, die mehrere µm dick sein kann, auf einem stark n-dotierten Substrat erzeugt, und üblicherweise als „Puffer-Epi“ bezeichnet werden kann. Zusätzlich zu einem Dotierungsgrad, der im epitaktischen Schritt erreicht wird, werden Dotierungsionen über eine Maske in den Puffer-Epi eingebracht, indem Dotierungsionen (zum Beispiel Bor zur Phosphordotierung) in erste Ladungsorte implantiert werden. Eine Gegendotierung durch Implantierung kann ebenfalls eingesetzt werden (entweder durch eine Maske oder auf der gesamten Fläche). Dennoch ist es ebenfalls möglich, die einzelnen epitaktischen Schichten mit der erforderlichen Dotierung zu trennen. Danach wird der gesamte Vorgang so oft wie nötig wiederholt, bis eine (multi-epitaktische) n-Schicht erzeugt worden ist, die über eine ausreichende Dicke verfügt und mit Ladungszentren ausgestattet ist. Die Ladungszentren sind aufeinander ausgerichtet und vertikal übereinander geschachtelt. Diese Zentren werden dann mit äußerer thermischer Diffusion in eine wellenförmige, vertikale Säule zusammengeführt, um aneinandergrenzende p-Typ-Ladungskompensationsgebiete Driftabschnitte zu bilden. Die Herstellung der tatsächlichen Bauelemente kann dann zu diesem Zeitpunkt durchgeführt werden.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Ladungskompensationshalbleiterbauelementen beinhaltet die Grabenätzung und die Kompensation durch Grabenfüllung. Das Volumen, das die Spannung absorbiert, wird in einem einzigen epitaktischen Schritt (n-dotiertes Epi) auf einem stark n-dotierten Substrat abgeschieden, sodass die Dicke der Gesamtdicke der vielschichtigen epitaktischen Struktur entspricht. Danach werden tiefe Gräben geätzt, welche die Form der p-Säulen (Kompensationsgebiete) bestimmen. Die tiefen Gräben werden dann mit p-dotiertem Epi gefüllt, das zumindest im Wesentlichen frei von Kristalldefekten ist.
  • Beide Verfahren können verwendet werden, um die unter Bezugnahme auf die 1 bis 17B oben beschriebenen Ladungskompensationshalbleiterbauelemente herzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements umfasst das Ladungskompensationshalbleiterbauelement eine Gatemetallisierung, eine Drainmetallisierung, einen Halbleiterkörper aufweisend eine ersten Seite und einen Driftgebiet in ohmscher Verbindung mit der Drainmetallisierung. In einem senkrechten Querschnitt senkrecht zur ersten Seite umfasst das Ladungskompensationshalbleiterbauelement mehrere Bodygebiete, die im Halbleiterkörper angrenzend an die erste Seite angeordnet sind, wobei jedes der Bodygebiete einen jeweiligen ersten pn-Übergang mit dem Driftgebiet bildet, wobei mehrere Kompensationsgebiete jeweils einen jeweiligen weiteren pn-Übergang mit dem Driftgebiet bilden, und wobei jedes der Kompensationsgebiete zwischen der zweiten Seite und einem der Bodygebiete angeordnet ist. Mehrere Gateelektroden in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung sind benachbart zur ersten Seite angeordnet und durch ein dielektrisches Gebiet von den Bodygebieten und dem Driftgebiet getrennt. Zwischen der Gatemetallisierung und der Drainmetallisierung ist ein gleichrichtender Strompfad gebildet, der durch das Driftgebiet und eines der Kompensationsgebiete verläuft.
  • Typischerweise umfasst der gleichrichtende Strompfad einen pn-Übergang, der von dem einen der Kompensationsgebiete gebildet wird und in Vorwärtsrichtung des pn-Übergangs einen elektrischen Widerstand von mindestens etwa 100 Ohm, typischerweise mindestens etwa 1 k Ohm (bezogen auf 1 mm2 aktive Fläche; siehe oben) aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements umfasst das Ladungskompensationshalbleiterbauelement eine Gatemetallisierung, eine Drainmetallisierung und einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper umfasst eine erste Seite, eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite, ein Driftgebiet, das zwischen der zweiten Seite und der ersten Seite angeordnet ist, mehrere Bodygebiete, die in dem Halbleiterkörper benachbart zur ersten Seite angeordnet sind, wobei jedes der Bodygebiete einen jeweiligen ersten pn-Übergang mit dem Driftgebiet bildet, und mehrere Kompensationsgebiete, die jeweils einen weiteren pn-Übergang mit dem Driftgebiet bilden. Jedes der Kompensationsgebiete ist zwischen der zweiten Seite und einem der Bodygebiete angeordnet. Mehrere Gateelektroden in ohmscher Verbindung mit der Gate-Metallisierung sind benachbart zu der ersten Seite angeordnet und durch ein dielektrisches Gebiet von den Bodygebieten und dem Driftgebiet getrennt. Zwischen einer der Gateelektroden und einem der Kompensationsgebiete ist ein ohmscher Strompfad (Widerstandsstrompfad) gebildet.
  • Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, wird für Fachleute ersichtlich sein, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige Vorteile der Erfindung erzielen können, ohne vom Sinn und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Für durchschnittliche Fachleute wird es offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die dieselben Funktionen ausüben, ein passender Ersatz sein können. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine konkrete Figur beschrieben werden, auch dann mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, wenn dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Solche Modifikationen der Erfindung sollen von den beiliegenden Ansprüchen abgedeckt werden.
  • Örtliche Bezugnahmen wie „unter“, „unten“, „geringer“, „über“, „oben“ und Ähnliches werden zur einfacheren Beschreibung herangezogen, um die Positionierung eines Elements in Bezug auf ein anderes Element zu erklären. Diese Begriffe sollen zusätzlich verschiedene Orientierungen der Vorrichtung einschließen, die sich von den in den Figuren dargestellten Orientierungen unterscheiden. Ferner werden Begriffe wie „erste/s“, „zweite/s“ und so weiter ebenfalls verendet, um verschiedene Elemente, Gebiete, Schnitte etc. zu beschreiben und sind ebenfalls nicht als beschränkend aufzufassen. Innerhalb der Beschreibung beziehen sich gleiche Bezeichnungen auf gleiche Elemente.
  • Wie hierin verwendet sind die Bezeichnungen „umfassend“, „enthaltend“, „einschließend“ und so weiter offene Begriffe, die das Vorhandensein erwähnter Elemente oder Merkmale anzeigen, aber keine zusätzlichen Elemente oder Merkmale ausschließen. Die Artikel „ein“, „eine“ und „der/die/das“ sollen nicht nur den Singular, sondern auch den Plural umfassen, sofern dies nicht ausdrücklich anders aus dem Kontext hervorgeht.
  • Unter Berücksichtigung des oben genannten Spektrums an Variationen und Anwendungen, sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht von der vorhergehenden Beschreibung beschränkt wird oder von den beiliegenden Zeichnungen beschränkt wird. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung lediglich durch die folgenden Ansprüche und deren rechtlichen Entsprechungen beschränkt.

Claims (20)

  1. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100-902), umfassend: - einen Halbleiterkörper (40) umfassend: - eine erste Seite (101); - eine der ersten Seite (101) gegenüberliegende zweite Seite (102); - ein Driftgebiet (1), dass zwischen der zweiten Seite (102) und der ersten Seite (101) angeordnet ist; - eine Sourcemetallisierung (10), die auf der ersten Seite (101) angeordnet ist; - eine Gatemetallisierung (G), wobei das Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) in einem vertikalen Querschnitt, der senkrecht zur ersten Seite (101) ist, umfasst: - zwei Bodygebiete (5, 5'), die benachbart zur ersten Seite (101) im Halbleiterkörper (40) angeordnet sind, wobei jede der zwei Bodygebiete (5, 5') einen ersten pn-Übergang (15) mit dem Driftgebiet (1) bildet; - ein Sourcegebiet (2), das im Halbleiterkörper (40) angeordnet ist und in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung (10) steht, wobei das Sourcegebiet zwischen der ersten Seite (101) und einem der zwei Bodygebiete (5, 5') angeordnet ist und einen zweiten pn-Übergang mit dem einen der beiden Bodygebiete (5, 5') bildet; - eine in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung (G) stehende Gateelektrode (12), die benachbart zur ersten Seite (101) angeordnet ist und die durch ein dielektrisches Gebiet (13) vom Sourcegebiet (2), der einen der zwei Bodygebiete (5, 5') und der Driftegion (1) getrennt ist; und - zwei Kompensationsgebiete (6, 6'), die einen jeweiligen weiteren pn-Übergang (16) mit dem Driftgebiet (1) bilden, wobei jede der zwei Kompensationsgebiete (6, 6') zwischen der zweiten Seite (102) und einem der beiden Bodygebiete (5, 5') angeordnet ist, wobei eine ohmsche Verbindung gebildet ist zwischen einem ersten Kompensationsgebiet (6') der zwei Kompensationsgebiete (6, 6') und der Gatemetallisierung (G) oder zwischen dem ersten Kompensationsgebiet (6') und einer weiteren Metallisierung (1012), die weder mit der Sourcemetallisierung (10) noch mit der Gatemetallisierung (G) verbunden ist.
  2. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach Anspruch 1, wobei der erste pn-Übergang (15) eine erste Schwellenspannung (Vth) hat, weiter umfassend einen Widerstand (R), der in Reihe mit dem ersten Kompensationsgebiet (6') und der Gatemetallisierung (G) geschaltet ist und/oder der eine ohmsche Verbindung zwischen dem ersten Kompensationsgebiet (6') und der Gatemetallisierung (G) bereitstellt, wobei der Widerstand (R) einen elektrischen Widerstand hat, so dass eine Spannung des ersten Kompensationsgebiets (6') bei einer ersten Spannung (Ve) liegt, wenn eine Sourcespannung, typischerweise Masse an die Sourcemetallisierung angelegt wird und eine von der Sourcespannung verschiedene Gatespannung an die Gatemetallisierung (G) angelegt wird, wobei die erste Spannung größer ist als die Sourcespannung und kleiner als die Gatespannung, wobei ein Absolutwert der ersten Spannung größer ist oder zumindest ungefähr einer Summe aus einem Absolutwert der ersten Spannung und einem Zwanzigstel der ersten Schwellenspannung entspricht, wobei der Absolutwert der erst Spannung kleiner ist oder zumindest ungefähr einem Absolutwert der Gatespannung entspricht, wobei der Absolutwert der ersten Spannung kleiner ist als der Absolutwert der Gatespannung, und/oder wobei der Absolutwert den ersten Spannung in einem Bereich von etwa dem Absolutwert der Sourcespannung plus einem Zehntel der ersten Schwellenspannung bis etwa vier Fünfteln des absoluten Werts der Gatespannung liegt.
  3. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach Anspruch 2, wobei der Widerstand (R) zumindest im Wesentlichen als Leiterbahn ausgebildet ist, die zumindest im Wesentlichen parallel zu der ersten Seite (101) ist, und/oder benachbart zu der ersten Seite (101) angeordnet ist.
  4. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Sourcegebiet (2) und die Gateelektrode (12) in einem aktiven Bereich (120) des Ladungskompensationshalbleiterbauelements (100) angeordnet sind, wobei der aktive Bereich eine Oberfläche aufweist, wobei der elektrische Widerstand des Widerstands (R) multipliziert mit der Oberfläche mindestens etwa 0,1 k Ohm mm2 beträgt, und/oder wobei der elektrische Widerstand multipliziert mit der Oberfläche weniger als etwa 100 k Ohm mm2 beträgt.
  5. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein elektrischer Widerstand des Widerstandes (R) mindestens etwa 100 Ohm beträgt, wobei der elektrische Widerstand des Widerstandes (R) weniger als etwa 100 k Ohm beträgt, wobei das Ladungskompensationshalbleiterbauelement eine Vielzahl von ersten Kompensationsgebieten (6') umfasst, und/oder wobei das Ladungskompensationshalbleiterbauelement ein zweites Kompensationsgebiet (6) umfasst, das unterhalb eines Sourcegebiets (5) angeordnet ist und einen entsprechenden weiteren pn-Übergang (16) mit dem Driftgebiet (6') bildet.
  6. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Diode, die zwischen die Sourcemetallisierung (10) und das erste Kompensationsgebiet (6') geschaltet ist.
  7. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweites der zwei Bodygebiete (5, 5') nicht an ein Sourcegebiet angrenzt und/oder nur einen pn-Übergang in dem Halbleiterkörper (40) bildet.
  8. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei Kompensationsgebiete (6, 6') in ohmscher Verbindung stehen.
  9. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100-902), umfassend: - eine Gatemetallisierung (G); - eine Sourcemetallisierung (10), die von der Gatemetallisierung (G) beabstandet ist; - einen Halbleiterkörper (40) umfassend: - eine erste Seite (101); - eine der ersten Seite (101) gegenüberliegende zweite Seite (102); - ein Driftgebiet (1), dass zwischen der zweiten Seite (102) und der ersten Seite (101) angeordnet ist; - mehrere Bodygebiete (5, 5'), die im Halbleiterkörper (40) benachbart zu der ersten Seite (101) angeordnet sind, wobei jedes der Bodygebiete (5, 5') einen jeweiligen ersten pn-Übergang (15) mit dem Driftgebiet (1) bildet; und - mehrere Kompensationsgebiete (6, 6'), die zwischen der zweiten Seite (102) und den Bodygebieten (5, 5') angeordnet sind, wobei jedes der Kompensationsgebiete (6, 6') einen jeweiligen weiteren pn-Übergang (16) mit dem Driftgebiet (1) bildet; - mehrere in ohmscher Verbindung mit der Gatemetallisierung (G) stehende Gateelektroden (12), die benachbart zur ersten Seite (101) angeordnet sind und durch ein dielektrisches Gebiet (13) von den Bodygebieten (5, 5') und dem Driftgebiet (1) getrennt sind; und - einen Widerstandsstrompfad, der zwischen einer der Gateelektroden (12) und einem ersten der Kompensationsgebiete (6, 6') oder zwischen dem ersten der Kompensationsgebiete (6, 6') und einer weiteren Metallisierung (1012) gebildet ist, die von der Sourcemetallisierung (10) und der Gatemetallisierung (G) getrennt ist.
  10. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach Anspruch 9, wobei der Widerstandsstrompfad zumindest im Wesentlichen als ein Streifenleiter ausgebildet ist, der im Wesentlichen parallel zu der ersten Seite (101) und/oder der zweiten Seite (102) verläuft.
  11. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein elektrischer Widerstand des Widerstandsstrompfades mindestens etwa 100 Ohm beträgt, und/oder wobei der elektrische Widerstand multipliziert mit einer Oberfläche eines aktiven Bereichs (120) des Ladungskompensationshalbleiterbauelement mindestens etwa 0,1 k Ohm mm2 beträgt.
  12. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein elektrischer Widerstand des Widerstandsstrompfades geringer als etwa 100 k Ohm ist, und/oder wobei der elektrische Widerstand multipliziert mit einer Oberfläche eines aktiven Bereichs (120) des Ladungskompensationshalbleiterbauelements geringer als etwa 100 k Ohm mm2 ist.
  13. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend einen zusätzlichen gleichrichtenden Strompfad, der zwischen der Sourcemetallisierung (10) und dem ersten Kompensationsgebiet (6') gebildet ist.
  14. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend ein Sourcegebiet (2), dass im Halbleiterkörper (40) angeordnet ist und in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung (10) steht, wobei das Sourcegebiet (2) einen zweiten pn-Übergang mit einem der Bodygebiete (5, 5') bildet, wobei zumindest eines der Kompensationsgebiete (6, 6') in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung (10) steht, und/oder wobei zumindest eines der Kompensationsgebiete (6, 6') einen oberen Abschnitt in ohmscher Verbindung mit der Sourcemetallisierung (10) und einen unteren Abschnitt, der von dem oberen Abschnitt durch einen Abschnitt des Driftgebiet (1) getrennt ist, umfasst.
  15. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) weiter eine Drainmetallisierung (11) in ohmscher Verbindung mit dem Driftgebiet (1) aufweist, wobei ein gleichrichtenden Strompfad zwischen der Gatemetallisierung und der Drainmetallisierung (11) gebildet ist, und/oder wobei der gleichrichtenden Strompfad den weiteren pn-Übergang (16) kreuzt.
  16. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter in einem zur ersten Seite (101) senkrechten vertikalen Querschnitt umfassend eine erste Feldelektrode (12f) und eine zweite Feldelektrode (12f'), wobei die erste Feldelektrode (12f) unterhalb einer der Gateelektrode (12) angeordnet ist und in ohmschem Kontakt mit dieser Gateelektrode (12) steht, und wobei die erste Feldelektrode (12f') und die zweite Feldelektrode (12f') in einer Projektionsansicht auf die erste Seite (101) zusammenhängend sind.
  17. Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) nach Anspruch 16, wobei die zweite fällt Elektrode (12f') in ohmschem Kontakt mit dem ersten Kompensationsgebiet (6') steht, und/oder wobei die zweite Feldelektrode (12f') ohmscher Verbindung steht mit einer der Bodyregion (5, 5'), die sich bis zum ersten Kompensationsgebiet (6') erstreckt.
  18. Schaltungsanordnung, insbesondere ein automatischer Transferschalter, umfassend ein Ladungskompensationshalbleiterbauelement (100) einem der vorhergehenden Ansprüche.
  19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, wobei die ohmsche Verbindung zwischen dem ersten Kompensationsgebiet (6') und der weiteren Metallisierung (1012) gebildet ist, weiter umfassend eine Steuerschaltung umfassend: - einen Sourceeingang; - einen Gateeingang; - einen Steuereingang; und - ein gesteuerten Ausgang, der mit der weiteren Metallisierung (1012) verbunden ist, wobei die Steuerschaltung über den Steuereingang zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand umschaltbar ist, wobei der Sourceeingang und der gesteuerten Ausgang im ersten Zustand kurzgeschlossen sind, und wobei der Gateingang und der gesteuerten Ausgang im zweiten Zustand kurzgeschlossen sind oder elektrisch miteinander verbunden sind über einen Widerstand der Steuerschaltung, der ein elektrischen Widerstand von zumindest 100 Ohm aufweist.
  20. Verfahren zum Bilden eines Ladungskompensationshalbleiterbauelements (100-902), wobei das Verfahren umfasst: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (40) umfassend eine erste Seite (101) und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite (102), ein Driftgebiet (1), mehrere Bodygebiet (5, 5'), wobei jedes Bodygebiet einen jeweiligen ersten pn-Übergang mit dem Driftgebiet (1) bildet, und mehrere Kompensationsgebiete (6, 6'), wobei jedes der Kompensationsgebiete einen jeweiligen weiteren pn-Übergang mit dem Driftgebiet (1) bildet und zwischen der zweiten Seite (102) und einem angrenzenden der Bodygebiete (5, 5') angeordnet ist; - Bilden mehrerer benachbart zur ersten Seite (101) angeordneter Gateelektroden (12), die durch einen dielektrischen Bereich (13) von den Bodygebieten (5, 5') und dem Driftgebiet (1) getrennt sind, so dass zwischen einer der Gateelektroden (12) und einem der Kompensationsgebiete (6, 6') ein Widerstandsstrompfad gebildet wird.
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