DE102018105997B4 - Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiterbauelement (1), umfassend einen Halbleiterkörper (10), der mit einem ersten Lastanschluss (11) und einem zweiten Lastanschluss (12) gekoppelt ist und Folgendes umfasst:- ein erstes dotiertes Gebiet (102) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss (11) elektrisch verbunden ist;- ein Emittergebiet (1091) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem zweiten Lastanschluss (12) elektrisch verbunden ist;- ein Driftgebiet (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps, das zwischen dem ersten dotierten Gebiet (102) und dem Emittergebiet (1091) angeordnet ist; wobei das Driftgebiet (100) und das erste dotierte Gebiet (102) dem Leistungshalbleiterbauelement (1) Folgendes ermöglichen:- in einem leitenden Zustand betrieben zu werden, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (11, 12) entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird;- in einem Vorwärts-Sperrzustand betrieben zu werden, während dessen eine zwischen den Anschlüssen (11, 12) angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und- in einem Rückwärts-Sperrzustand betrieben zu werden, während dessen eine zwischen den Anschlüssen (11, 12) angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, und- eine mindestens im ersten dotierten Gebiet (102) angeordnete Rekombinationszone (159), wobei das erste dotierte Gebiet (102) einen ersten Teilabschnitt (1023) und einen zweiten Teilabschnitt (1022) aufweist, wobei der erste Teilabschnitt (1023) an den ersten Lastanschluss (11) angrenzt und eine höhere Dotierstoffkonzentration als der zweite Teilabschnitt (1022) aufweist, wobei der zweite Teilabschnitt (1022) an das Driftgebiet (100) angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone (159) sowohl in den ersten als auch in den zweiten Teilabschnitt (1023, 1022) erstreckt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Patentschrift betrifft Ausführungsformen eines Leistungshalbleiterbauelements und Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements. Insbesondere betrifft die vorliegende Patentschrift Aspekte eines Leistungshalbleiterchips mit Überspannungsschutz und Ausführungsformen eines Leistungshalbleiterbauelementschalters sowie Ausführungsformen entsprechender Herstellungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Viele Funktionen moderner Bauelemente in Kraftfahrzeug-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa die Umwandlung von elektrischer Energie und das Antreiben eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine, sind auf Leistungshalbleiterschalter angewiesen. Zum Beispiel sind Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) und Dioden, um nur einige zu nennen, für verschiedene Anwendungen verwendet worden, einschließlich Schalter in Stromversorgungen und Leistungswandlern, aber nicht darauf beschränkt.
  • Ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst üblicherweise einen Halbleiterkörper, der dazu konfiguriert ist, einen Laststrom entlang einem Laststrompfad zwischen zwei Lastanschlüssen des Bauelements zu leiten. Ferner kann der Laststrompfad mittels einer isolierten Elektrode, die manchmal als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Bei Empfang eines entsprechenden Steuersignals von beispielsweise einer Treibereinheit kann die Steuerelektrode zum Beispiel das Leistungshalbleiterbauelement in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand einstellen. In einigen Fällen kann die Gate-Elektrode in einem Graben des Leistungshalbleiterschalters enthalten sein, wobei der Graben zum Beispiel eine Streifenkonfiguration oder eine Nadelkonfiguration aufweisen kann.
  • Es ist üblicherweise wünschenswert, Verluste, zum Beispiel Schaltverluste, Durchlassverluste während eines leitenden Zustands und Sperrverluste während eines sperrenden Zustands des Leistungshalbleiterbauelements, gering zu halten.
  • Ferner kann ein Leistungshalbleiterbauelement für kontinuierlichen Betrieb unter Nennbedingungen, gemäß denen zum Beispiel ein Laststrom einen Nennwert normalerweise nicht länger als für eine vorbestimmte Zeitdauer übersteigt und eine zwischen den beiden Lastanschlüssen angelegte Spannung einen Nennwert normalerweise nicht länger als für eine vorbestimmte Zeitdauer übersteigt, ausgelegt sein.
  • Es wird üblicherweise versucht, zu vermeiden, dass das Leistungshalbleiterbauelement einer Spannung ausgesetzt wird, die bedeutend höher als die Nennrückwärtsspannung, für die es ausgelegt ist, ist, und zwar im Hinblick auf Situationen eines transienten Zustands (zum Beispiel Schaltsituationen) als auch fortdauernde Sperrzustandssituationen. Dazu sind in der Vergangenheit einige Überspannungsschutzkonzepte entwickelt worden, von denen eines allgemein als „Clamping“ bekannt wird. Zum Beispiel kann eine sogenannte TVS-Diode (TVS - Transient Voltage Suppressor / Vorrichtung zur Unterdrückung von Einschwingspannung) verwendet werden, um transiente Überspannungen, die während eines Transistorschaltvorgangs auftreten können, zu reduzieren.
  • DE 199 58 694 A1 beschreibt ein steuerbares Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: eine erste Leitungszone und eine zweite Leitungszone eines ersten Leitungstyps; eine zwischen der ersten und zweiten Leitungszone angeordnete Sperrzone eines zweiten Leitungstyps; eine isoliert gegenüber der Sperrzone angeordnete Steuerelektrode; und wenigstens ein in der Sperrzone ausgebildeter Rekombinationsbereich aus einem eine Rekombination von Ladungsträgern des ersten und zweiten Leitungstyps fördernden Material.
  • EP 0 694 960 A1 beschreibt ein Verfahren zur lokalisierten Reduzierung der Lebensdauer von Ladungsträgern, insbesondere in integrierten elektronischen Bauelementen, dessen Besonderheit darin besteht, dass es den Schritt des Implantierens von Ionen eines Edelgases, z.B. Helium, in einer hohen Dosierung und auf einem hohen Energieniveau umfasst in den aktiven Bereichen der integrierten Vorrichtung, so dass die Ionen in den aktiven Bereichen Blasen bilden. Eine weitere Wärmebehandlung kann nach der Bildung von Blasen durchgeführt werden, um die Struktur der Blasen zu verbessern und das Edelgas verdampfen zu lassen, um Hohlräume in den aktiven Bereichen zu hinterlassen.
  • DE 10 2006 016 049 A1 beschreibt ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungsträgerrekombinationszonen, wobei die Ladungsträgerrekombinationszone in einem Halbleiterkörper vergraben und in der Nachbarschaft von Raumladungszonen angeordnet sind. Dabei weisen die Ladungsträgerrekombinationszonen eine derart hohe Temperaturfestigkeit auf, dass sie bei Halbleiterprozesstemperaturen beständig sind.
  • KURZFASSUNG
  • Hierin beschriebene Aspekte betreffen (ohne darauf beschränkt zu sein) eine Halbleiterstruktur mit einer PNP-Konfiguration, wobei die p-dotierten Abschnitte mit einem jeweiligen Lastanschluss elektrisch verbunden sind. Der p-dotierte Abschnitt, der mit einem ersten der Lastanschlüsse elektrisch verbunden ist, hierin als „erstes dotiertes Gebiet“ bezeichnet, kann wahlweise mindestens einen Teil einer Rekombinationszone umfassen. Zum Beispiel kann das erste dotierte Gebiet ein Anodengebiet, zum Beispiel ein Anodengebiet eines Leistungshalbleiterchips mit Überspannungsschutz, sein. Oder das erste dotierte Gebiet kann ein Bodygebiet, zum Beispiel ein Bodygebiet eines Leistungshalbleiterschalters, sein.
  • Die Erfindung ist durch den unabhängigen Anspruch 1 definiert. Merkmale von beispielhaften Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Leistungshalbleiterbauelement einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss gekoppelt ist. Der Halbleiterkörper umfasst: ein erstes dotiertes Gebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; ein Emittergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem zweiten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das zwischen dem ersten dotierten Gebiet und dem Emittergebiet angeordnet ist. Das Driftgebiet und das erste dotierte Gebiet ermöglichen dem Leistungshalbleiterbauelement in einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; in einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden. Ferner umfasst der Halbleiterkörper eine mindestens im ersten dotierten Gebiet angeordnete Rekombinationszone.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements dargelegt. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss gekoppelt ist. Der Halbleiterkörper umfasst: ein erstes dotiertes Gebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; ein Emittergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem zweiten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das zwischen dem ersten dotierten Gebiet und dem Emittergebiet angeordnet ist. Das Driftgebiet und das erste dotierte Gebiet ermöglichen dem Leistungshalbleiterbauelement in einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; in einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden. Ferner umfasst das Verfahren: Bilden einer mindestens im ersten dotierten Gebiet angeordneten Rekombinationszone im Halbleiterkörper.
  • In einer ersten beispielhaften Untergruppe von Ausführungsformen ist das Leistungshalbleiterbauelement als Leistungshalbleiterschalter ausgestaltet.
  • In einer zweiten beispielhaften Untergruppe von Ausführungsformen ist das Leistungshalbleiterbauelement als ein Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz oder als ein integriertes Leistungshalbleitermodul ausgestaltet. Hinsichtlich des Leistungshalbleiterchips mit Überspannungsschutz bzw. des integrierten Leistungshalbleitermoduls sollte auf der Hand liegen, dass diese Bauelemente wahlweise die Rekombinationszone umfassen können. Es werden hierin jedoch auch Ausführungsformen des Leistungshalbleiterchips mit Überspannungsschutz bzw. des integrierten Leistungshalbleitermoduls dargelegt, die nicht zwangsweise mit der Rekombinationszone ausgestattet sind.
  • Hinsichtlich dieser beispielhaften Ausführungsformkomplexe werden unten ein paar Beispiele dargelegt.
  • BEISPIELE FÜR DIE ERSTE BEISPIELHAFTE UNTERGRUPPE VON AUSFÜHRUNGSFORMEN, BEI DENEN DAS LEISTUNGSHALBLEITERBAUELEMENT ALS EIN LEISTUNGSHALBLEITERSCHALTER AUSGESTALTET IST, UND BEISPIELE FÜR ENTSPRECHENDE VERFAHREN:
    1. 1. Ein Leistungshalbleiterschalter, umfassend einen mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss gekoppelten Halbleiterkörper, der Folgendes umfasst: ein Driftgebiet mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein Source-Gebiet mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; und ein erstes dotiertes Gebiet, das als ein Bodygebiet implementiert ist, und mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps und das das Source-Gebiet von dem Driftgebiet trennt, wobei:
      • - das Driftgebiet, das Source-Gebiet und das Bodygebiet dem Leistungshalbleiterschalter ermöglichen, in einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Anschlüssen entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; in einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden; und
      • - der Leistungshalbleiterschalter eine Damagezone umfasst und mindestens im Bodygebiet angeordnet ist.
    2. 2. Der Leistungshalbleiterschalter nach Beispiel 1, wobei die Rekombinationszone dahingehend konfiguriert ist, eine Lebensdauer und/oder eine Mobilität von in der Rekombinationszone vorhandenen Ladungsträgern zu reduzieren.
    3. 3. Der Leistungshalbleiterschalter nach Beispiel 1 oder 2, wobei die Rekombinationszone lateral strukturiert ist.
    4. 4. Der Leistungshalbleiterschalter nach Beispiel 3, ferner umfassend ein aktives Gebiet mit mehreren Transistorzellen, wobei die Rekombinationszone insofern lateral strukturiert ist, dass:
      • - nur jede eines Anteils der mehreren Transistorzellen die Rekombinationszone enthält; und/oder
      • - die Rekombinationszone innerhalb eines horizontalen Querschnitts mindestens einer der mehreren Transistorzellen lateral strukturiert ist.
    5. 5. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, der ferner dahingehend konfiguriert ist, einen Leitungskanal im Bodygebiet zum Leiten mindestens eines Teils des Laststroms während des leitenden Zustands zu erzeugen, wobei der erzeugte Leitungskanal und die Rekombinationszone räumlich voneinander getrennt sind.
    6. 6. Der Leistungshalbleiterschalter nach Beispiel 5, wobei sich ein Mindestabstand zwischen der Rekombinationszone und dem erzeugten Leitungskanal auf mindestens 50 nm beläuft.
    7. 7. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei sich die Rekombinationszone in das Source-Gebiet erstreckt.
    8. 8. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei sich die Rekombinationszone nicht in das Driftgebiet erstreckt.
    9. 9. Der Leistungshalbleiterschalter nach Beispiel 8, wobei die Rekombinationszone eine Kristallfehlerkonzentration aufweist, die mindestens um das 1000-Fache stärker als eine Kristallfehlerkonzentration im Driftgebiet ist.
    10. 10. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei sich das Bodygebiet tiefer als die Rekombinationszone in den Halbleiterkörper erstreckt.
    11. 11. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der erste Lastanschluss eine Kontaktnut umfasst, die sowohl an das Source-Gebiet als auch an das Bodygebiet angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone mit der Kontaktnut lateral überlappt und laterale Abmessungen innerhalb eines Bereichs von 60% bis 200% der lateralen Abmessungen der Kontaktnut aufweist.
    12. 12. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, umfassend ein aktives Gebiet mit mehreren Transistorzellen, die jeweils zum Betrieb in dem leitenden Zustand, dem Vorwärts-Sperrzustand und dem Rückwärts-Sperrzustand konfiguriert sind, und ein das aktive Gebiet umgebendes inaktives Randgebiet, wobei sich die Rekombinationszone nicht in das inaktive Randgebiet erstreckt.
    13. 13. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Rekombinationszone von einer Stelle einer Spitze eines elektrischen Felds während des Vorwärts-Sperrzustands räumlich beabstandet ist.
    14. 14. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Rekombinationszone Kristallfehler aufweist, die mehrere Rekombinationsmitten innerhalb der Rekombinationszone bilden.
    15. 15. Der Leistungshalbleiterschalter nach Beispiel 14, wobei die Kristallfehler bis zu einer Temperatur von mindestens 360° temperaturbeständig sind.
    16. 16. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Rekombinationszone eine Kristallfehlerkonzentration aufweist, die entlang mindestens einer lateralen Richtung um einen Faktor von mindestens zwei variiert.
    17. 17. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Rekombinationszone eine Kristallfehlerkonzentration aufweist, die entlang mindestens einer Vertikalrichtung um einen Faktor von mindestens zwei variiert.
    18. 18. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Bodygebiet einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der erste Teilabschnitt an den ersten Lastanschluss angrenzt und eine höhere Dotierstoffkonzentration als der zweite Teilabschnitt aufweist, wobei der zweite Teilabschnitt an das Driftgebiet angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone sowohl in den ersten als auch in den zweiten Teilabschnitt erstreckt.
    19. 19. Der Leistungshalbleiterschalter nach den Beispielen 13 und 14, wobei sich eine Spitze der Kristallfehlerkonzentration in einer oberen Hälfte des zweiten Teilabschnitts oder in einer unteren Hälfte des ersten Teilabschnitts des Bodygebiets befindet.
    20. 20. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Halbleiterkörper ein Emittergebiet umfasst, das mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist und mit dem zweiten Lastanschluss elektrisch verbunden ist, wobei der Halbleiterkörper ausschließlich mittels des Emittergebiets an den zweiten Lastanschluss angrenzt.
    21. 21. Der Leistungshalbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Halbleiterkörper ferner ein Feldstoppgebiet umfasst, wobei das Feldstoppgebiet das Driftgebiet abschließt und eine durch Protonenbestrahlung erzeugte Dotierstoffkonzentration von Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, die stärker als die Dotierstoffkonzentration im Driftgebiet ist, aufweist.
    22. 22. Ein rückwärtssperrender IGBT, der eine lateral strukturierte Rekombinationszone umfasst, die mindestens innerhalb eines ersten dotierten Gebiets implementiert ist, das als ein Bodygebiet des rückwärtssperrenden IBGTs implementiert ist.
    23. 23. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterschalters, umfassend:
      • - Bereitstellen eines mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss zu koppelnden Halbleiterkörpers, der Folgendes umfasst: ein Driftgebiet mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein Source-Gebiet mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; und ein erstes dotiertes Gebiet, das als ein Bodygebiet implementiert ist, und mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps und das das Source-Gebiet von dem Driftgebiet trennt, wobei das Driftgebiet, das Source-Gebiet und das Bodygebiet dem Leistungshalbleiterschalter ermöglichen, in einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Anschlüssen entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; in einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden; und
      • - Bereitstellen einer Rekombinationszone innerhalb des Bodygebiets.
    24. 24. Das Verfahren nach Beispiel 23, wobei das Bereitstellen der Rekombinationszone Einführen von Kristallfehlern in den Halbleiterkörper mittels eines Implantationsverarbeitungsschritts und/oder eines Diffusionsverarbeitungsschritts umfasst.
    25. 25. Das Verfahren nach Beispiel 23 oder 24, wobei das Bereitstellen der Rekombinationszone Durchführen eines selbstausrichtenden Verarbeitungsschritts unter Verwendung einer Nut, an der sowohl das Source-Gebiet als auch das Bodygebiet durch den ersten Lastanschluss kontaktiert werden sollen, umfasst.
  • BEISPIELE FÜR DIE ZWEITE BEISPIELHAFTE UNTERGRUPPE VON AUSFÜHRUNGSFORMEN, BEI DENEN DAS LEISTUNGSHALBLEITERBAUELEMENT ALS EIN LEISTUNGSHALBLEITERCHIP MIT ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ ODER ALS EIN INTEGRIERTES LEISTUNGSHALBLEITERMODUL AUSGESTALTET IST, UND BEISPIELE FÜR ENTSPRECHENDE VERFAHREN:
  • Wie oben aufgezeigt, kann die Rekombinationszone hinsichtlich der zweiten beispielhaften Untergruppe von Ausführungsformen wahlweise vorgesehen oder nicht vorgesehen sein.
    1. 1. Ein Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz, umfassend einen mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss gekoppelten Halbleiterkörper, wobei der erste Lastanschluss auf einer Vorderseite angeordnet ist und der zweite Lastanschluss auf einer Rückseite des Chips angeordnet ist, und wobei der Halbleiterkörper sowohl ein aktives Gebiet als auch ein das aktive Gebiet umgebendes inaktives Randgebiet umfasst, und wobei das aktive Gebiet mehrere Durchbruchzellen umfasst, wobei jede Durchbruchzelle Folgendes umfasst:
      • - eine Isolationsstruktur, die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung aufweist, in die sich der erste Lastanschluss erstreckt und an den Halbleiterkörper angrenzt; und
      • - ein Driftgebiet mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps;
      • - ein erstes dotiertes Gebiet, das als ein Anodengebiet implementiert ist, Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist;
      • - ein erstes Barrieregebiet, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als das Anodengebiet aufweist und in Kontakt sowohl mit dem Anodengebiet als auch der Isolationsstruktur angeordnet ist; und
      • - ein zweites Barrieregebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet aufweist und sowohl das Anodengebiet als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets von dem Driftgebiet trennt;
      • - ein dotiertes Kontaktgebiet, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss angeordnet ist, wobei das Driftgebiet zwischen dem zweiten Barrieregebiet und dem dotierten Kontaktgebiet positioniert ist.
    2. 2. Der Chip nach Beispiel 1, wobei jede Durchbruchzelle dahingehend konfiguriert ist:
      • - in einem nicht leitenden Zustand zu bleiben, wenn die Spannung zwischen den Lastanschlüssen unter einer Nennchipsperrspannung liegt; und
      • - einen leitenden Durchbruchzustand einzunehmen, wenn die Spannung zwischen den Lastanschlüssen über der Nennchipsperrspannung liegt.
    3. 3. Der Chip nach Beispiel 2, wobei der Chip mit einem Leistungshalbleitertransistor gekoppelt ist, und wobei jede der Durchbruchzellen für eine Nennchipsperrspannung konfiguriert ist, die in Abhängigkeit von einer Nennrückwärtsspannung des Transistors bestimmt worden ist.
    4. 4. Der Chip (1) nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei jede Durchbruchzelle eine Rekombinationszone umfasst, die sich in mindestens das erste dotierte Gebiet erstreckt.
    5. 5. Der Chip nach Beispiel 4, wobei die Rekombinationszone eine lokal verringerte Ladungsträgerlebensdauer bereitstellt.
    6. 6. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei sich das Anodengebiet tiefer als das erste Barrieregebiet in den Halbleiterkörper erstreckt, und wobei ein aufgrund des Unterschieds bei dem Grad der Tiefe gebildeter Absatz durch das zweite Halbleiterbarrieregebiet bedeckt wird.
    7. 7. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die ersten Barrieregebiete der Durchbruchzellen eine durchgehende Halbleiterschicht bilden.
    8. 8. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Durchbruchzellen gemäß einem hexagonalen Mosaikmuster im aktiven Gebiet angeordnet sind.
    9. 9. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Anodengebiet, das erste Barrieregebiet und das zweite Barrieregebiet in jeder der Durchbruchzellen bezüglich einer fiktiven vertikalen Achse, die die jeweilige Durchbruchzelle durchquert, symmetrisch angeordnet sind.
    10. 10. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die in dem Anodengebiet, dem ersten Barrieregebiet sowie in dem zweiten Barrieregebiet vorhandenen Dotierstoffe implantierte Dotierstoffe sind.
    11. 11. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei ein Übergang zwischen dem zweiten Lastanschluss und dem dotierten Kontaktgebiet einen Schottky-Kontakt bildet.
    12. 12. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das dotierte Kontaktgebiet einen Emitter mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps und ein Feldstoppgebiet mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps umfasst, wobei der Emitter mit dem zweiten Lastanschluss elektrisch verbunden ist und das Feldstoppgebiet zwischen dem Driftgebiet und dem Emitter angeordnet ist.
    13. 13. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend eine Diodenanordnung, die auf der Vorderseite und außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wobei die Diodenanordnung das inaktive Randgebiet lateral überlappt und mit dem ersten Lastanschluss und mit einem weiteren Anschluss verbunden ist.
    14. 14. Der Chip nach Beispiel 13, wobei der weitere Anschluss mit einem Emitteranschluss eines Leistungshalbleitertransistors elektrisch verbunden ist.
    15. 15. Der Chip nach einem der vorherigen Beispiele, wobei das inaktive Randgebiet eine höhere Durchschlagspannung als jede der Durchbruchzellen aufweist.
    16. 16. Der Chip nach einem der vorherigen Beispiele, ferner umfassend eine oder mehrere Hilfszellen des ersten Typs, wobei jede der einen oder der mehreren Hilfszellen des ersten Typs Folgendes enthält:
      • - eine Isolationsstruktur, die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung aufweist, in die sich der erste Lastanschluss erstreckt und an den Halbleiterkörper angrenzt; und
      • - ein Driftgebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
      • - ein Anodengebiet, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist;
      • - ein erstes Barrieregebiet, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als das Anodengebiet aufweist und in Kontakt mit sowohl dem Anodengebiet als auch der Isolationsstruktur angeordnet ist; und
      • - ein zweites Barrieregebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet aufweist und sowohl das Anodengebiet als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets von dem Driftgebiet trennt; und
      • - ein dotiertes Kontaktgebiet, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss angeordnet ist, wobei das Driftgebiet zwischen dem zweiten Barrieregebiet und dem dotierten Kontaktgebiet positioniert ist, und wobei sich das dotierte Kontaktgebiet über bis zu 50 % der Gesamtdicke des Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper erstreckt.
    17. 17. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend eine oder mehrere Hilfszellen des zweiten Typs, wobei jede der einen oder der mehreren Hilfszellen des zweiten Typs Folgendes umfasst:
      • - eine Isolationsstruktur, die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung aufweist, in die sich der erste Lastanschluss erstreckt und an den Halbleiterkörper angrenzt; und
      • - ein Driftgebiet, das Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
      • - ein erstes Barrieregebiet, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist;
      • - ein dotiertes Kontaktgebiet, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss angeordnet ist, wobei das Driftgebiet zwischen dem ersten Barrieregebiet und dem dotierten Kontaktgebiet positioniert ist.
    18. 18. Der Chip nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Chip mit einem Leistungshalbleitertransistor gekoppelt ist, wobei der Transistor mehrere Transistorzellen umfasst und wobei jede der Transistorzellen in dem Chip integriert ist.
    19. 19. Der Chip nach Beispiel 18, wobei jede der Transistorzellen Folgendes umfasst:
      • - ein Source-Gebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit einem Emitteranschluss elektrisch verbunden ist;
      • - ein Driftgebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
      • - ein Körpergebiet, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem Emitteranschluss elektrisch verbunden ist und das Source-Gebiet von dem Driftgebiet isoliert;
      • - eine isolierte Gate-Elektrode, die zum Steuern der Transistorzelle konfiguriert ist; und
      • - ein dotiertes Kontaktgebiet, das mit dem zweiten Lastanschluss elektrisch verbunden ist und Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist.
    20. 20. Der Chip nach Beispiel 18 oder 19, wobei die dotierten Kontaktgebiete der Durchbruchzellen und die dotierten Kontaktgebiete der Transistorzellen eine dotierte Kontaktschicht innerhalb des Halbleiterkörpers bilden.
    21. 21. Ein integriertes Leistungshalbleitermodul, das einen Leistungshalbleitertransistor und einen Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz umfasst, wobei der Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz einen Halbleiterkörper umfasst, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Chips gekoppelt ist, wobei der erste Lastanschluss auf einer Vorderseite angeordnet ist und der zweite Lastanschluss auf einer Rückseite des Chips angeordnet ist, und wobei der Halbleiterkörper sowohl ein aktives Gebiet als auch ein das aktive Gebiet umgebendes inaktives Randgebiet umfasst und wobei das aktive Gebiet mehrere Durchbruchzellen umfasst; wobei jede Durchbruchzelle Folgendes umfasst:
      • - eine Isolationsstruktur, die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung aufweist, in die sich der erste Lastanschluss erstreckt und an den Halbleiterkörper angrenzt; und
      • - ein Driftgebiet, das Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps umfasst;
      • - ein erstes dotiertes Gebiet, das als ein Anodengebiet implementiert ist, Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist;
      • - ein erstes Barrieregebiet, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als das Anodengebiet aufweist und in Kontakt sowohl mit dem Anodengebiet als auch der Isolationsstruktur angeordnet ist; und
      • - ein zweites Barrieregebiet, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet aufweist und sowohl das Anodengebiet als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets von dem Driftgebiet trennt; und
      • - ein dotiertes Kontaktgebiet, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss angeordnet ist, wobei das Driftgebiet zwischen dem zweiten Barrieregebiet und dem dotierten Kontaktgebiet positioniert ist;
      wobei der Transistor einen Emitteranschluss, einen Kollektoranschluss und einen Gate-Anschluss umfasst, wobei der Kollektoranschluss mit dem zweiten Lastanschluss des Chips elektrisch verbunden ist.
    22. 22. Ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiterchips mit Überspannungsschutz, umfassend:
      • - Bereitstellen eines mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss des Chips zu koppelnden Halbleiterkörpers, wobei der erste Lastanschluss auf einer Vorderseite anzuordnen ist und der zweite Lastanschluss auf einer Rückseite des Chips anzuordnen ist, und wobei der Halbleiterkörper sowohl ein aktives Gebiet als auch ein das aktive Gebiet umgebendes inaktives Randgebiet umfasst,
      • - Bilden mehrerer Durchbruchzellen in dem aktiven Gebiet, wobei jede Durchbruchzelle eine Isolationsstruktur umfasst, die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung aufweist, in die sich der erste Lastanschluss erstrecken soll und an den Halbleiterkörper angrenzen soll; und
      • - Bilden der folgenden Gebiete:
        • - eines Driftgebiets, das Dotierstoffe eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist;
        • - eines ersten dotierten Gebiets, das als ein Anodengebiet implementiert ist, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist;
        • - eines ersten Barrieregebiets, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als das Anodengebiet aufweist und in Kontakt sowohl mit dem Anodengebiet als auch der Isolationsstruktur angeordnet ist; und
        • - eines zweiten Barrieregebiets, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet aufweist und sowohl das Anodengebiet als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets von dem Driftgebiet trennt;
        • - eines dotierten Kontaktgebiets, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss angeordnet ist, wobei das Driftgebiet zwischen dem zweiten Barrieregebiet und dem dotierten Kontaktgebiet positioniert ist.
    23. 23. Das Verfahren nach Beispiel 22, wobei Bilden des Anodengebiets und/oder Bilden des ersten Barrieregebiets und/oder Bilden des zweiten Barrieregebiets Durchführen mindestens eines Implantationsverarbeitungsschritts umfasst.
    24. 24. Das Verfahren nach Beispiel 23, wobei mindestens einer des einen oder der mehreren Implantationsverarbeitungsschritte mit einer Ionenenergie von mindestens 1,5 MeV durchgeführt wird.
    25. 25. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Beispiele 22 bis 24, ferner umfassend Bilden einer Rekombinationszone, die sich mindestens in das Anodengebiet erstreckt, durch Durchführen eines selbstausrichtenden Prozesses unter Verwendung der Isolationsstruktur als eine Maske.
  • Für den Fachmann werden bei Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung und bei Betrachtung der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird Wert auf veranschaulichende Grundzüge der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 2A-B jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 3 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4 schematisch und beispielhaft jeweils Verläufe von Dotierstoffkonzentrationen und einen Verlauf eines elektrischen Felds in einem Leistungshalbleiterbauelement gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 5 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 6 schematisch und beispielhaft eine Ersatzschaltung eines Leistungshalbleitermoduls, die einen Leistungshalbleitertransistor und ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 7 schematisch und beispielhaft Betriebsbereiche eines Leistungshalbleitermoduls, das einen Leistungshalbleitertransistor und ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 8 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines inaktiven Randgebiets eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 9 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 10-11 jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einigen Ausführungsformen;
    • 12 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 13 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer Transistorzelle eines Leistungshalbleitertransistors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 14 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements, das eine Transistorzelle enthält, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 15A-B jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines integrierten Leistungshalbleitermoduls, das einen Leistungshalbleitertransistor und ein Leistungshalbleiterbauelement umfasst, gemäß einigen Ausführungsformen;
    • 16 schematisch und beispielhaft Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 17A-B jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 18A-B jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 19A schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 19B schematisch und beispielhaft einen Verlauf einer Kristallfehlerkonzentration entlang einer Vertikalrichtung innerhalb eines ersten dotierten Gebiets (zum Beispiel eines Bodygebiets) eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 20A schematisch und beispielhaft einen Verlauf von Dotierstoffkonzentrationen und einen Verlauf eines elektrischen Felds entlang einer Vertikalrichtung innerhalb eines Halbleiterkörpers eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 20B schematisch und beispielhaft einen Verlauf einer Kristallfehlerkonzentration entlang einer Vertikalrichtung innerhalb eines ersten dotierten Gebiets (zum Beispiel eines Bodygebiets) eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 21 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 22 schematisch und beispielhaft ein Verfahren gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 23 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements zusammen mit einer elektrischen Ersatzschaltung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 24 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
    • 25A schematisch und beispielhaft Verläufe von Dotierstoffkonzentrationen und einen Verlauf eines elektrischen Felds entlang einer Vertikalrichtung innerhalb eines Halbleiterkörpers eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 25B schematisch und beispielhaft einen Verlauf einer Kristallfehlerkonzentration entlang einer Vertikalrichtung innerhalb eines ersten dotierten Gebiets (zum Beispiel Bodygebiets) eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen spezielle Ausführungsformen als Veranschaulichung gezeigt werden, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann.
  • In dieser Hinsicht kann Richtungsterminologie, wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „unter“, „vorne“, „hinten“, „rück“, „führender“, „nachlaufender“, „oberhalb“ usw., mit Bezug auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren verwendet werden. Da Teile von Ausführungsformen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist keineswegs einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachstehende detaillierte Beschreibung soll daher nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
  • Es wird nunmehr ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Figuren dargestellt werden. Jedes Beispiel wird als Erklärung bereitgestellt und soll die Erfindung nicht einschränken. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben werden, können beispielsweise bei oder kombiniert mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Die vorliegende Erfindung soll solche Modifikationen und Variationen mit einschließen. Die Beispiele werden unter Verwendung einer speziellen Ausdrucksweise beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche einschränkend ausgelegt werden soll. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich veranschaulichenden Zwecken. Der Übersicht halber wurden in den verschiedenen Zeichnungen die gleichen Elemente oder Herstellungsschritte mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, sofern nichts anderes angegeben ist.
  • Der Begriff „horizontal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Ausrichtung im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen Fläche eines Halbleitersubstrats oder einer Halbleiterstruktur beschreiben. Dies kann zum Beispiel die Fläche eines Halbleiterwafers oder eines Dies oder eines Chips sein. Zum Beispiel können sowohl die erste laterale Richtung X als auch die zweite laterale Richtung Y, die nachstehend erwähnt werden, horizontale Richtungen sein, wobei die erste laterale Richtung X und die zweite laterale Richtung Y senkrecht zueinander sein können.
  • Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der horizontalen Fläche, das heißt, parallel zu der normalen Richtung der Fläche des Halbleiterwafers/Chips/Dies, angeordnet ist. Zum Beispiel kann die nachstehend erwähnte Erstreckungsrichtung Z eine Erstreckungsrichtung sein, die sowohl zu der ersten lateralen Richtung X als auch der zweiten lateralen Richtung Y senkrecht ist. Die Erstreckungsrichtung Z wird auch als „vertikale Richtung Z“ bezeichnet.
  • In dieser Beschreibung wird n-dotiert als „erster Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet, während p-dotiert als „zweiter Leitfähigkeitstyp“ bezeichnet wird. Alternativ können entgegengesetzte Dotierungsbeziehungen verwendet werden, so dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert sein kann und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann.
  • Im Rahmen der vorliegenden Patentschrift sollen die Begriffe „im ohmschen Kontakt“, „im elektrischen Kontakt“, „in ohmscher Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben, dass eine niederohmige elektrische Verbindung oder ein niederohmiger Strompfad zwischen zwei Gebieten, Bereichen, Zonen, Abschnitten oder Teilen eines Halbleiterbauelements oder zwischen verschiedenen Anschlüssen eines oder mehrerer Bauelemente oder zwischen einem Anschluss oder einer Metallisierung oder einer Elektrode und einem Abschnitt oder Teil eines Halbleiterbauelements besteht. Außerdem soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung der Begriff „in Kontakt“ beschreiben, dass eine direkte physische Verbindung zwischen zwei Elementen des entsprechenden Halbleiterbauelements besteht; zum Beispiel umfasst ein Übergang zwischen zwei in Kontakt miteinander befindlichen Elementen möglicherweise keine weiteren Zwischenelemente oder dergleichen.
  • Darüber hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Patentschrift der Begriff „elektrische Isolierung“, wenn nicht anders angegeben, im Rahmen seines allgemein gültigen Verständnisses verwendet und soll somit beschreiben, dass zwei oder mehr Komponenten separat voneinander angeordnet sind und dass keine ohmsche Verbindung besteht, die jene Komponenten verbindet. Jedoch können elektrisch voneinander isolierte Komponenten nichtsdestotrotz miteinander gekoppelt, zum Beispiel mechanisch gekoppelt und/oder kapazitativ gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt, sein. Um ein Beispiel anzugeben, können zwei Elektroden eines Kondensators elektrisch voneinander isoliert, und gleichzeitig mechanisch und kapazitiv, zum Beispiel mit Hilfe einer Isolierung, zum Beispiel eines Dielektrikums, miteinander gekoppelt sein.
  • Konkrete in dieser Patentschrift beschriebene Ausführungsformen betreffen einen Leistungshalbleiterschalter, der eine Streifenzellen- oder zellulare Zellenkonfiguration aufweist, wie zum Beispiel ein Leistungshalbleiterbauelement, das innerhalb eines Stromrichters oder eines Netzteils verwendet werden kann, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Daher kann bei einer Ausführungsform solch ein Bauelement derart konfiguriert sein, dass es einen Laststrom führt, der einer Last zugeführt werden soll und/oder der durch eine Energiequelle bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann das Leistungshalbleiterbauelement eine oder mehrere aktive Leistungshalbleiterzellen, wie zum Beispiel eine monolithisch integrierte Diodenzelle, beispielsweise eine monolithisch integrierte Zelle von zwei antiseriell verbundenen Dioden, eine monolithisch integrierte Transistorzelle, zum Beispiel eine monolithisch integrierte IGBT-Zelle, und/oder Abwandlungen davon umfassen. Solche Diodenzellen und/oder solche Transistorzellen können in einem Leistungshalbleitermodul integriert sein. Mehrere solcher Zellen können ein Zellenfeld bilden, das mit einem aktiven Gebiet des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet ist.
  • Der Begriff „Leistungshalbleiterbauelement“, wie er in dieser Patentschrift verwendet wird, soll ein Halbleiterbauelement auf einem einzelnen Chip mit Möglichkeiten zum Sperren einer hohen Spannung und/oder Führen eines hohen Stroms beschreiben. Mit anderen Worten ist ein solches Leistungshalbleiterbauelement für einen hohen Strom, typischerweise im Ampere-Bereich, zum Beispiel bis zu mehreren Dutzend oder Hundert Ampere, und/oder hohe Spannungen, typischerweise über 15 V, typischer 100 V und höher, zum Beispiel mindestens bis zu 400 V, oder sogar noch höher, zum Beispiel bis zu mindestens 3 KV, gedacht.
  • Zum Beispiel kann das nachstehend beschriebene Leistungshalbleiterbauelement ein Halbleiterbauelement sein, das eine Streifenzellenkonfiguration oder eine zellulare (säulenartige) Zellenkonfiguration aufweist, und kann für den Einsatz als eine Leistungskomponente in einer Anwendung mit einer niedrigen, mittleren und/oder hohen Spannung konfiguriert sein.
  • Zum Beispiel richtet sich der Begriff „Leistungshalbleiterbauelement“, wie er in dieser Patentschrift verwendet wird, nicht direkt auf logische Halbleiterbauelemente, die zum Beispiel zum Speichern von Daten, Berechnen von Daten und/oder für andere Arten von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.
  • 23 stellt schematisch und beispielhaft ein Leistungshalbleiterbauelement 1 zusammen mit einem elektrischen Ersatzschaltbild gemäß mehreren Ausführungsformen dar. Das Leistungshalbleiterbauelement 1 kann zum Beispiel als ein Leistungshalbleiterschalter (wie unter Bezugnahme auf die 17A-22 beispielhaft erläutert) oder als ein Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz (wie unter Bezugnahme auf die 1 bis 16 beispielhaft erläutert) implementiert sein.
  • Somit sollte auf der Hand liegen, dass alles im Folgenden unter Bezugnahme auf 23 Beschriebene gleichermaßen für alle unter Bezugnahme auf die anderen Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen gelten kann.
  • Das Leistungshalbleiterbauelement 1 umfasst einen Halbleiterkörper 10, der mit einem ersten Lastanschluss 11 (zum Beispiel einem Emitteranschluss, einem Anodenanschluss oder einem Source-Anschluss) und einem zweiten Lastanschluss 12 (zum Beispiel einem Kollektoranschluss oder einem Drainanschluss) gekoppelt ist. Der Halbleiterkörper 10 umfasst Folgendes:
    • - ein erstes dotiertes Gebiet 102 (hierin auch als Bodygebiet 102 oder Anodengebiet 102 bezeichnet) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist;
    • - ein Emittergebiet 1091 des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem zweiten Lastanschluss 12 elektrisch verbunden ist;
    • - ein Driftgebiet 100 des ersten Leitfähigkeitstyps, das zwischen dem ersten dotierten Gebiet 102 und dem Emittergebiet 1091 angeordnet ist; wobei das Driftgebiet 100 und das erste dotierte Gebiet 102 dem Leistungshalbleiterbauelement 1 ermöglichen, in:
    • - einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird;
    • - einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen 11, 12 angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und
    • - einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen 11, 12 angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden.
  • Der Halbleiterkörper 10 kann wahlweise eine Rekombinationszone 159 umfassen, die mindestens im ersten dotierten Gebiet 102 angeordnet ist.
  • Wie bei der Ersatzschaltung dargestellt, bildet zum Beispiel ein Übergang vom ersten dotierten Gebiet 102 zum Driftgebiet 100 eine erste Diode 51, und ein Übergang vom Emittergebiet 1091 zum Driftgebiet 100 bildet eine zweite Diode 52. Die erste Diode 51 und die zweite Diode 52 sind antiseriell miteinander verbunden.
  • Zum Beispiel weist die erste Diode 51 eine erste Durchbruchspannung auf, und die zweite Diode 52 weist eine zweite Durchbruchspannung auf, wobei die erste Durchbruchspannung fünf Mal so groß wie die zweite Durchbruchspannung ist. Dieser Faktor kann sogar mehr als fünf betragen und sich beispielsweise auf mindestens zehn, 100 oder sogar über 1000 belaufen. Zum Beispiel kann die zweite Durchbruchspannung größer als 10 V, größer als 50 V, zum Beispiel größer als 10 V und kleiner als 100 V, sein. Zum Beispiel beträgt die erste Durchbruchspannung ca. das 80-Fache der zweiten Durchbruchspannung und liegt somit, basierend auf den obigen Werten, zum Beispiel innerhalb eines Bereichs von 800 V bis 8 kV. Ein typisches Beispiel wären 20 V für die zweite und 1600 V für die erste Durchbruchspannung.
  • Zum Beispiel weisen der erste Lastanschluss 11, das erste dotierte Gebiet 102, die Rekombinationszone 159, das Driftgebiet 100, das Emittergebiet 1091 und der zweite Lastanschluss 12 jeweils einen gemeinsamen lateralen Erstreckungsbereich, zum Beispiel entlang der ersten lateralen Richtung X, von beispielsweise mindestens 500 nm, mindestens 2000 nm oder sogar mehr als 6000 nm auf.
  • Ferner kann die Rekombinationszone 159 dahingehend konfiguriert sein, eine Lebensdauer und/oder eine Mobilität von Ladungsträgern, die in der Rekombinationszone 159 vorhanden sind, zu reduzieren.
  • Wie unten ausführlicher erläutert wird, kann die Rekombinationszone 159 lateral strukturiert sein.
  • Wie ferner unten ausführlicher erläutert wird, kann das Leistungshalbleiterbauelement 1 dahingehend konfiguriert sein, einen Leitungskanal 103 innerhalb des ersten dotierten Gebiets 102 zum Leiten mindestens eines Teils des Laststroms während des leitenden Zustands zu erzeugen, wobei der erzeugte Leitungskanal 103 und die Rekombinationszone 159 räumlich voneinander beabstandet sind. Zum Beispiel beläuft sich ein Mindestabstand zwischen der Rekombinationszone und dem erzeugten Leitungskanal auf mindestens 50 nm.
  • Ferner kann die Rekombinationszone 159 so angeordnet sein, dass sie sich nicht in das Driftgebiet 100 erstreckt.
  • Bei einer Ausführungsform weist die Rekombinationszone 159 eine Kristallfehlerkonzentration auf, die mindestens um das 1000-Fache stärker als eine Kristallfehlerkonzentration innerhalb des Driftgebiets 100 ist.
  • Bei einer Ausführungsform erstreckt sich das erste dotierte Gebiet 102 tiefer als die Rekombinationszone 159 in den Halbleiterkörper 100.
  • Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlicher wird, kann der erste Lastanschluss 11 eine Kontaktnut (vgl. Bezugszahlen 161 in 2 und 111 in 19A) umfassen, die an das erste dotierte Gebiet 102 angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone 159 mit der Kontaktnut lateral überlappt und laterale Abmessungen innerhalb eines Bereichs von 60% bis 200% der lateralen Abmessungen der Kontaktnut aufweist.
  • Ferner kann das Leistungshalbleiterbauelement 1 mehrere Zellen (zum Beispiel Transistorzellen (vgl. Bezugszahl 14 in den 12 und 13)) umfassen, die jeweils zum Betrieb in dem leitenden Zustand, dem Vorwärts-Sperrzustand und dem Rückwärts-Sperrzustand konfiguriert sind.
  • Die Rekombinationszone 159 kann so ausgelegt sein, dass sie während des Vorwärts-Sperrzustands von einer Stelle einer Spitze eines elektrischen Felds räumlich getrennt ist.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Rekombinationszone 159 Kristallfehler aufweisen, die mehrere Rekombinationsmitten innerhalb der Rekombinationszone 159 bilden. Zum Beispiel sind die Kristallfehler bis zu einer Temperatur von mindestens 360° temperaturbeständig. Eine Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone kann entlang mindestens der ersten lateralen Richtung X um einen Faktor von mindestens zwei variieren.
  • Wie aus der Beschreibung von 19A ersichtlicher wird, kann das erste dotierte Gebiet 102 einen ersten Teilabschnitt (vgl. 19A, Bezugszahl 1023) und einen zweiten Teilabschnitt (vgl. 19A, Bezugszahl 1022) aufweisen, wobei der erste Teilabschnitt an den ersten Lastanschluss 11 angrenzt und eine höhere Dotierstoffkonzentration als der zweite Teilabschnitt hat, wobei der zweite Teilabschnitt an das Driftgebiet 100 angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone 159 sowohl in den ersten als auch in den zweiten Teilabschnitt erstreckt. Ferner kann eine Spitze der Kristallfehlerkonzentration innerhalb einer oberen Hälfte des zweiten Teilabschnitts oder innerhalb einer unteren Hälfte des ersten Teilabschnitts des ersten dotierten Gebiets 102 positioniert sein.
  • Bei einer Ausführungsform grenzt der Halbleiterkörper 10 ausschließlich mittels des Emittergebiets 1091 an den zweiten Lastanschluss 12 an.
  • Wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich wird, kann der Halbleiterkörper 10 ferner ein Feldstoppgebiet 1092 umfassen, wobei das Feldstoppgebiet 1092 das Driftgebiet 100 abschließt und eine durch Protonenbestrahlung erzeugte Dotierstoffkonzentration von Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, die stärker als die Dotierstoffkonzentration im Driftgebiet ist, aufweist.
  • Das Leistungshalbleiterbauelement 1 kann, wie oben angeführt, ein Leistungshalbleiterschalter sein und kann ferner ein Source-Gebiet (vgl. Bezugszahl 101 in 17A) des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen, das mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist, wobei das erste dotierte Gebiet 102 das Source-Gebiet 101 von dem Driftgebiet 100 trennt. Zum Beispiel erstreckt sich die Rekombinationszone 159 in das Source-Gebiet 101.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das Leistungshalbleiterbauelement 1 ein aktives Gebiet (vgl. Bezugszahl 1-1 in 1) und ein das aktive Gebiet 1-1 umgebendes inaktives Randgebiet 1-2. Zum Beispiel erstreckt sich die Rekombinationszone 159 nicht in das inaktive Randgebiet 1-2.
  • In einem Beispiel kann das aktive Gebiet 1-1 mehrere Zellen (zum Beispiel Transistorzellen 14) umfassen, wobei die Rekombinationszone 159 insofern lateral strukturiert ist, dass: nur jede eines Anteils der mehreren Zellen (zum Beispiel Transistorzellen 14) die Rekombinationszone 159 enthält; und/oder die Rekombinationszone 159 innerhalb eines horizontalen Querschnitts mindestens einer der mehreren Zellen (zum Beispiel Transistorzellen) lateral strukturiert ist.
  • Wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlicher wird, kann das Leistungshalbleiterbauelement 1 ferner Folgendes umfassen: ein erstes Barrieregebiet 152 (vgl. 2A) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das eine niedrigere Dotierstoffkonzentration als das erste dotierte Gebiet 102 aufweist und in Kontakt sowohl mit dem ersten dotierten Gebiet 102 als auch einer Isolationsstruktur 16, 142 angeordnet ist; und ein zweites Barrieregebiet 153 des ersten Leitfähigkeitstyps, das eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100 aufweist und sowohl das erste dotierte Gebiet 102 als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets 152 von dem Driftgebiet 100 trennt. Das erste Barrieregebiet 152 und/oder das zweite Barrieregebiet 153 bildet zum Beispiel eine durchgehende Halbleiterschicht innerhalb des aktiven Gebiets 1-1 (vgl. 24).
  • Ferner wird hierin ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements dargelegt. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, der mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss gekoppelt ist. Der Halbleiterkörper umfasst: ein erstes dotiertes Gebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; ein Emittergebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem zweiten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; ein Driftgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, das zwischen dem ersten dotierten Gebiet und dem Emittergebiet angeordnet ist. Das Driftgebiet und das erste dotierte Gebiet ermöglichen dem Leistungshalbleiterbauelement: in einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; in einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden. Ferner umfasst das Verfahren: Bilden einer mindestens im ersten dotierten Gebiet angeordneten Rekombinationszone im Halbleiterkörper.
  • Beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens können den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des Bauelements entsprechen. Weitere optionale Aspekte des Verfahrens werden unten ausführlicher beschrieben.
  • Wie eingangs erläutert wurde, kann das hierin, wie beispielsweise oben unter Bezugnahme auf 23, beschriebene Leistungshalbleiterbauelement 1 zum Beispiel als ein Leistungshalbleiterschalter oder als ein Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz implementiert sein.
  • Die folgende Beschreibung der 1 bis 16 und 24 bis 25A-B bezieht sich in erster Linie auf den Fall, in dem das Leistungshalbleiterbauelement 1 als ein Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz implementiert ist (die eingangs erwähnte „erste beispielhafte Untergruppe von Ausführungsformen“), und die folgende Beschreibung der 17A bis 22 bezieht sich in erster Linie auf den Fall, in dem das Leistungshalbleiterbauelement 1 als ein Leistungshalbleiterschalter implementiert ist (die eingangs erwähnte „zweite beispielhafte Untergruppe von Ausführungsformen“).
  • Bei der Beschreibung der 1 bis 22, 24 und 25A-B werden optionale Merkmale der Komponenten des Leistungshalbleiterbauelements 1 erläutert, insbesondere optionale Merkmale des ersten dotierten Gebiets 102. Es sollte auf der Hand liegen, dass diese optionalen Merkmale a) gleichermaßen für die Bauelemente in den 1 bis 22, 24 und 25A-B gelten, unabhängig davon, ob das jeweilige Bauelement als Leistungshalbleiterschalter oder als Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz implementiert ist, und b) gleichermaßen für das Bauelement gemäß der oben beschriebenen 23 gelten.
  • LEISTUNGSHALBLEITERSCHALTER
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Beispiele für die oben genannte erste beispielhafte Untergruppe von Ausführungsformen, wobei das Leistungshalbleiterbauelement 1 als ein Leistungshalbleiterschalter ausgestaltet ist, und auf Beispiele für entsprechende Verfahren:
  • 21 stellt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterschalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Jede der 17A-18B stellt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterschalters 1 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. Im Folgenden wird auf jede der 21 und 17A-18B Bezug genommen.
  • Zum Beispiel umfasst der Leistungshalbleiterschalter 1 den Halbleiterkörper 10, der mit dem ersten Lastanschluss 11 (zum Beispiel einem Emitteranschluss 11) und dem zweiten Anschluss (zum Beispiel einem Kollektoranschluss 12) gekoppelt ist.
  • Hinsichtlich aller hierin offenbarten Ausführungsformen der 17A-22 kann der Leistungshalbleiterschalter 1 ein rückwärtssperrender (RB) IGBT sein. Zum Beispiel zeigt jede der 17A bis 22 Aspekte eines Leistungshalbleiterschalters, der zur Realisierung eines RB-IGBTs implementiert sein kann.
  • Der Halbleiterkörper 10 kann das Driftgebiet 100 mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps umfassen. Zum Beispiel werden die Erstreckung des Driftgebiets 100 entlang der Erstreckungsrichtung Z und seine Dotierstoffkonzentration in Abhängigkeit von dem Sperrspannungsnennwert, für den der Leistungshalbleiterschalter 1 ausgelegt sein soll, beispielsweise auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise, ausgewählt.
  • Ferner kann der Emitteranschluss 11 auf der Vorderseite des Leistungshalbleiterschalters 1 angeordnet sein und kann eine Vorderseitenmetallisierung enthalten. Der Kollektoranschluss 12 kann gegenüber der Vorderseite, zum Beispiel auf einer Rückseite des Leistungshalbleiterschalters 1, angeordnet sein und kann zum Beispiel eine Rückseitenmetallisierung enthalten. Demgemäß kann der Leistungshalbleiterschalter 1 eine vertikale Konfiguration aufweisen, wobei der Laststrom in einer im Wesentlichen parallel zur Vertikalrichtung verlaufenden Richtung fließt. Bei einer anderen Ausführungsform können sowohl der Emitteranschluss 11 als auch der Kollektoranschluss 12 auf einer gemeinsamen Seite, zum Beispiel beide auf der Vorderseite, des Leistungshalbleiterschalters 1 angeordnet sein.
  • Der Leistungshalbleiterschalter 1 kann ferner ein aktives Gebiet 1-2, ein inaktives Randgebiet 1-2 (hierin auch als „Abschlussstruktur“ oder als „inaktive Abschlussstruktur“ bezeichnet) und einen Chiprand 1-21 (vergleiche 21) enthalten. Der Halbleiterkörper 10 kann einen Teil sowohl des aktiven Gebiets 1-2 als auch des inaktive Randgebiets 1-2 bilden, wobei der Chiprand 1-21 den Halbleiterkörper 10 lateral abschließen kann. Der Chiprand 1-21 kann zum Beispiel mittels Wafer-Dicing entstanden sein und kann sich entlang der Vertikalrichtung Z erstrecken. Das inaktive Randgebiet 1-2 kann zwischen dem aktiven Gebiet 1-1 und dem Chiprand 1-21 angeordnet sein, wie in 21 dargestellt.
  • In der vorliegenden Patentschrift werden die Begriffe „aktives Gebiet“ und „inaktives Randgebiet“/„(inaktive) Abschlussstruktur“ auf übliche Weise eingesetzt, das heißt das aktive Gebiet 1-1 und das inaktive Randgebiet 1-2 können dahingehend konfiguriert sein, die grundlegenden technischen Funktionalitäten, die in der Regel damit verbunden werden, bereitzustellen. Zum Beispiel ist das aktive Gebiet 1-1 des Leistungshalbleiterschalters 1 dahingehend konfiguriert, einen Laststrom zwischen den Anschlüssen 11, 12 zu leiten, während das inaktive Randgebiet 1-2 den Laststrom nicht leitet, sondern Funktionen hinsichtlich des Verlaufs des elektrischen Felds erfüllt, wodurch gemäß einer Ausführungsform das Sperrvermögen, das sichere Abschließen des aktiven Gebiets 1-1 usw. gewährleistet werden. Zum Beispiel kann das inaktive Randgebiet 1-2 das aktive Gebiet 1-1 vollständig umgeben, wie in 21 dargestellt.
  • Bei einer Ausführungsform sind sowohl das aktive Gebiet 1-1 als auch das inaktive Randgebiet 1-2 dahingehend konfiguriert, ein Rückwärtssperrvermögen des Leistungshalbleiterschalters bereitzustellen, wie unten ausführlicher erläutert wird.
  • Das aktive Gebiet 1-1 kann mindestens eine Transistorzelle 14 (vergleiche 21) umfassen. Bei einer Ausführungsform sind mehrere solche Transistorzellen 14 innerhalb des aktiven Gebiets 1-1 enthalten. Die Anzahl von Transistorzellen 14 kann größer als 100, als 1000 oder sogar größer als 10.000 sein. Die Transistorzellen 14 können jeweils eine identische Konfiguration aufweisen. Somit kann jede Transistorzelle 14 bei einer Ausführungsform eine Konfiguration einer Leistungseinheitszelle aufweisen, wie zum Beispiel in den 17A-19A dargestellt. Wenn im Folgenden für eine beispielhafte Konfiguration einer bestimmten Transistorzelle 14 eine Erläuterung dargeboten wird (zum Beispiel wie „die Transistorzelle 14 umfasst...“ oder „die Komponente der Transistorzelle 14 ist/hat...“), soll diese Erläuterung gleichermaßen für alle Transistorzellen 14 gelten, die im Leistungshalbleiterschalter 1 enthalten sein können, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
  • Jede Transistorzelle 14 kann eine Streifenkonfiguration aufweisen, wie in 21 schematisch dargestellt, wobei die laterale Gesamterstreckung in einer lateralen Richtung, zum Beispiel entlang der zweiten lateralen Richtung Y, jeder Transistorzelle 14 und ihrer Komponenten wesentlich größer als die laterale Gesamterstreckung in der anderen lateralen Richtung, zum Beispiel entlang der ersten lateralen Richtung X, sein kann. Zum Beispiel kann die längere laterale Gesamterstreckung in der zweiten lateralen Richtung Y einer jeweiligen Streifentransistorzelle 14 ungefähr der Gesamterstreckung des aktiven Gebiets 1-1 entlang dieser lateralen Richtung entsprechen, wie in 21 dargestellt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann jede Transistorzelle 14 eine zellulare Konfiguration aufweisen, wobei die lateralen Erstreckungen jeder Transistorzelle 14 wesentlich kleiner als die lateralen Gesamterstreckungen des aktiven Gebiets 1-1 sein können.
  • Unter Bezugnahme auf alle hierin offenbarten Ausführungsformen kann jede der Transistorzellen 14 eine Streifenkonfiguration aufweisen und kann zur Bereitstellung einer RB-IGBT-Funktionalität konfiguriert sein.
  • Jede Transistorzelle 14 kann ein Source-Gebiet 101 mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, das mit dem Emitteranschluss 11 elektrisch verbunden ist, umfassen. Die im Source-Gebiet 101 vorhandene Dotierstoffkonzentration kann bedeutend stärker als die Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets 100 sein.
  • Jede Transistorzelle 14 kann ferner das erste dotierte Gebiet 102, das als ein Halbleiterschalterbodygebiet 102 (auch als „Kanalgebiet“ bezeichnet; hierin wird jedoch der Begriff „Kanalgebiet“ auf eine andere Weise verwendet, siehe unten) implementiert ist, umfassen, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei das erste dotierte Gebiet 102 das Source-Gebiet 101 von dem Driftgebiet 100 trennen kann, zum Beispiel kann das erste dotierte Gebiet 102 das Source-Gebiet 101 von dem Driftgebiet 100 isolieren. Des Weiteren kann das erste dotierte Gebiet 102 mit dem Emitteranschluss 11 elektrisch verbunden sein. Ein Übergang zwischen dem ersten dotierten Gebiet 102 und dem Driftgebiet 100 kann einen pn-Übergang 1021 bilden.
  • Gemäß den in 17A und 17B dargestellten Ausführungsformen kann sich das Driftgebiet 100 entlang der Vertikalrichtung Z erstrecken, bis es an ein dotiertes Kontaktgebiet 109 angrenzt, das in elektrischem Kontakt mit dem Kollektoranschluss 12 angeordnet ist. Das dotierte Kontaktgebiet 109 kann gemäß der Konfiguration des Leistungshalbleiterschalters 1 gebildet sein; zum Beispiel kann das dotierte Kontaktgebiet 109 ein Emittergebiet 1091 mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel ein p-Typ-Emittergebiet 1091, enthalten.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das Emittergebiet 1091 keine Abschnitte mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps die auch mit dem Kollektoranschluss 12 elektrisch verbunden sind. Somit beziehen sich hierin beschriebene Ausführungsformen zum Beispiel nicht auf rückwärtsleitende (RC) IGBTs. Stattdessen grenzt der Halbleiterkörper 10 gemäß einer Ausführungsform ausschließlich mittels des Emittergebiets 1091, zum Beispiel eines vollständig p-dotierten Emittergebiets 1091, an den Kollektoranschluss 12 an.
  • Das dotierte Kontaktgebiet 109 kann auch ein Feldstoppgebiet 1092 enthalten, wie in jeder der 17B und 18B dargestellt. Das Feldstoppgebiet 1092 kann das Driftgebiet 100 mit dem Emittergebiet 1091 koppeln. Zum Beispiel kann das Feldstoppgebiet 1092 Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer Dotierstoffkonzentration, die bedeutend stärker als die Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets 100 ist, umfassen. Ferner kann das Feldstoppgebiet 1092 das Driftgebiet 100 abschließen.
  • Bei einer Ausführungsform weist das Feldstoppgebiet 1092 eine durch Protonenbestrahlung erzeugte Dotierstoffkonzentration von Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, die stärker als die Dotierstoffkonzentration im Driftgebiet ist, auf. Solch ein durch Protonenbestrahlung erzeugter Feldstopp kann durch eine Protonenbestrahlung mit einem anschließenden Temperschritt bei relativ niedrigen Temperaturen, die zwischen 370°C und 430°C liegen, über eine zwischen 30 Minuten und 5 Stunden liegende Zeitdauer realisiert werden. Zum Beispiel kann dies die Verarbeitung dünner Wafer, zum Beispiel selbst für große Wafer-Durchmesser, beispielsweise Wafer-Durchmesser die größer gleich 8" sind, gestatten.
  • Jede Transistorzelle 14 kann ferner einen isolierten Steueranschluss 131, zum Beispiel einen Gate-Anschluss, der als eine planare Elektrode (wie in den 17A und 17B dargestellt) oder als eine Grabenelektrode (wie in den 18A und 18B dargestellt) implementiert sein kann, umfassen. Zum Beispiel kann jede Transistorzelle 14 mindestens einen Graben 143 umfassen, der sich in den Halbleiterkörper 10 erstreckt und der den Steueranschluss 131 aufnimmt, welcher als eine Grabenelektrode implementiert ist und mittels eines Isolators 142 gegen den Halbleiterkörper 10 isoliert ist. Im Falle einer planaren Elektrode kann eine Isolationsstruktur 142 den Steueranschluss 131 gegen den Halbleiterkörper 10 isolieren.
  • Bei einer Ausführungsform ermöglichen das Driftgebiet 100, das Source-Gebiet 101 und das erste dotierte Gebiet 102 dem Leistungshalbleiterschalter 1 Betrieb in: einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 entlang einer Vorwärtsrichtung (zum Beispiel gegen die Vertikalrichtung Z hinsichtlich der technischen Stromrichtung) (im Halbleiterkörper 10) geleitet wird; einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen 11, 12 angelegte Vorwärtsspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen 11, 12 angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist.
  • Zum Beispiel bedeutet eine Vorwärtsspannung, dass das elektrische Potenzial des Kollektoranschlusses 12 größer als das elektrische Potenzial des Emitteranschlusses 11 ist. Zum Beispiel bedeutet eine Rückwärtsspannung, dass das elektrische Potenzial des Kollektoranschlusses 12 kleiner als das elektrische Potenzial des Emitteranschlusses 11 ist.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Leistungshalbleiterschalter 1 dahingehend konfiguriert, unabhängig davon, welche Polarität die zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 angelegte Spannung aufweist, Fluss eines Rückwärtslaststroms im Halbleiterkörper 10 nicht zu gestatten. Somit gibt es zum Beispiel nur einen leitenden Zustand, nämlich einen Vorwärts-Leitungszustand, in dem der Laststrom in der Vorwärtsrichtung (das heißt, der Vorwärtslaststrom) geleitet wird. Wenn jedoch eine Rückwärtssperrspannung vorliegt und gesperrt wird, kann nichtsdestotrotz ein keiner Leckstrom in die Rückwärtsrichtung (zum Beispiel parallel zu der Vertikalrichtung Z hinsichtlich einer technischen Stromrichtung) fließen.
  • Durch Bereitstellung eines Steuersignals für den Steueranschluss 131, zum Beispiel durch Erzeugen einer Steuerspannung zwischen dem Emitteranschluss 11 und dem Steueranschluss 131, kann zum Beispiel der Leistungshalbleiterschalter 1 zwischen dem leitenden Zustand und dem Vorwärts-Sperrzustand geschaltet werden.
  • Der Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen 11, 12 angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, kann zum Beispiel unabhängig von der Steuerspannung zwischen dem Emitteranschluss 11 und dem Steueranschluss 131 erhalten werden.
  • Zum Beispiel (vgl. 19A) kann während des leitenden Zustands ein Kanalgebiet 103 (wie durch das gestrichelte Rechteck angedeutet) innerhalb eines Abschnitts des ersten dotierten Gebiets 102 erzeugt werden. Ein Leitungskanal, zum Beispiel ein Inversionskanal, der Fluss des Laststroms in die Vorwärtsrichtung gestattet, kann sich in das erzeugte Kanalgebiet 103 erstrecken. Zum Beispiel kann sich das erzeugte Kanalgebiet 103, zum Beispiel der erzeugte Inversionskanal, entlang einer Seitenwand 144 des die Steuerelektrode 131 aufnehmenden Grabens 143 erstrecken, wie in 19A dargestellt.
  • Ferner kann während des Vorwärts-Sperrzustands ein Erzeugen des Kanalgebiets 103 blockiert werden. Stattdessen wird ein Raumladungsgebiet aufrechterhalten, um das Vorwärtssperrvermögen bereitzustellen.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst der Leistungshalbleiterschalter 1, zum Beispiel jede Transistorzelle 14, eine Rekombinationszone 159, die mindestens innerhalb des ersten dotierten Gebiets 102 angeordnet ist. Die Rekombinationszone 159 kann dahingehend konfiguriert sein, eine Lebensdauer und/oder eine Mobilität von Ladungsträgern, die in der Rekombinationszone 159 vorhanden sind, zu reduzieren. Zum Beispiel ist die Rekombinationszone 159 dahingehend konfiguriert, im Vergleich zu einer Ladungsträgerrekombinationsrate außerhalb der Rekombinationszone 159 eine erhöhte Ladungsträgerrekombinationsrate innerhalb der Rekombinationszone 159 bereitzustellen.
  • Zum Beispiel kann die Rekombinationszone 159 Kristallfehler, zum Beispiel Doppelleerstellen oder Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe und/oder Atome, die als Rekombinationsmitten wirken, zum Beispiel Platin- oder Goldatome, enthalten.
  • Bei einer Ausführungsform ist die Rekombinationszone 159, zum Beispiel entlang der ersten lateralen Richtung X und/oder der zweiten lateralen Richtung Y, lateral strukturiert. Hinsichtlich jeder Transistorzelle 14 erstreckt sich die Rekombinationszone 159 zum Beispiel nicht vollständig innerhalb eines horizontalen Querschnitts des Abschnitts des Halbleiterkörpers 10 der jeweiligen Transistorzelle 14, kann aber innerhalb eines solchen horizontalen Querschnitts der jeweiligen Transistorzelle 14 lateral strukturiert, zum Beispiel nur lokal innerhalb der Transistorzelle 14 implementiert, sein.
  • Bei einer Ausführungsform, wie zum Beispiel in jeder der 17A bis 19A beispielhaft dargestellt, ist die Rekombinationszone 159 zum Beispiel so strukturiert, dass sie sich nicht in das Driftgebiet 100 erstreckt. Ein solches Nichterstrecken der Rekombinationszone 159 in das Driftgebiet 100 kann dadurch realisiert werden, dass gewährleistet wird, dass eine Kristallfehlerkonzentration innerhalb des Driftgebiets 100 unter einem Schwellenwert von einem Zehntel der Kristallfehlerkonzentration in der Rekombinationszone 159 liegt. Mit anderen Worten, die Rekombinationszone 159 kann dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine Kristallfehlerkonzentration aufweist, die mindestens um das Zehnfache stärker als eine Kristallfehlerkonzentration innerhalb des Driftgebiets 100 ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Faktor, um den die Kristallfehlerkonzentration im Driftgebiet 100 niedriger als innerhalb der Rekombinationszone 159 ist, größer als zehn, zum Beispiel größer als 100 oder sogar größer als 1000. Die Rekombinationszone 159 kann zum Beispiel dadurch charakterisiert sein, dass sie eine Kristallfehlerkonzentration aufweist, die mindestens um das 1000-Fache größer als eine Kristallfehlerkonzentration innerhalb des Driftgebiets 100 ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Rekombinationszone 159 insofern lateral strukturiert, als nicht jede Transistorzelle 14 eine Rekombinationszone 159 umfasst, sondern zum Beispiel nur ein gewisser Anteil der Transistorzellen 14. Zum Beispiel umfassen nur 50% oder weniger der Transistorzellen (zum Beispiel jede zweite Transistorzelle 14) eine jeweilige Rekombinationszone 159, oder nur 33,33% oder weniger der Transistorzellen (zum Beispiel jede dritte Transistorzelle 14) umfassen eine jeweilige Rekombinationszone 159, oder nur 25% oder weniger der Transistorzellen (zum Beispiel jede vierte Transistorzelle 14) umfassen eine jeweilige Rekombinationszone 159.
  • Ferner kann eine Konzentration von Kristallfehlern, die in der Rekombinationszone 159 vorliegen können, entlang der ersten lateralen Richtung X und/oder der zweiten lateralen Richtung Y und/oder entlang einer Richtung, die einer linearen Kombination der ersten und der zweiten lateralen Richtung X und Y entspricht, variieren. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Konzentration von Kristallfehlern, die innerhalb der Rekombinationszone 159 vorliegen können, entlang den lateralen Richtungen X und Y im Wesentlichen konstant sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann sich die Rekombinationszone 159 auch in das Source-Gebiet 101 erstrecken. Dies kann gemäß einer Ausführungsform gestatten, die Gefahr eines unerwünschten Latch-up des Leistungshalbleiterschalters 1 zu reduzieren, da sich die durch das Source-Gebiet emittierten Elektronen in der Rekombinationszone 159 rekombinieren können.
  • Ferner können der erzeugte Leitungskanal, das heißt, das Kanalgebiet 103, in das sich der erzeugte Leitungskanal erstrecken kann, und die Rekombinationszone 159 räumlich voneinander getrennt sein; zum Beispiel überlappen sich das erzeugte Kanalgebiet 103 und die Rekombinationszone 159 nicht räumlich. Dies kann einen negativen Einfluss auf einen Spannungsabfall des Schalters 1 im eingeschalteten Zustand vermeiden, zum Beispiel eine Verstärkung des Spannungsabfalls im eingeschalteten Zustand vermeiden. Zum Beispiel beläuft sich ein Mindestabstand, zum Beispiel der in 19A angezeigte laterale Abstand ΔX, zwischen der Rekombinationszone 159 und dem erzeugten Kanalgebiet 103 (in das sich der Leitungskanal) auf mindestens 50 nm. Der Mindestabstand kann auch mehr als 50 nm, zum Beispiel mehr als 100 nm oder sogar mehr als 200 nm betragen. Die Rekombinationszone 159 und das erzeugte Kanalgebiet 103 überlappen sich zum Beispiel nicht entlang der ersten lateralen Richtung X. Falls die Steuerelektrode 131 als eine Grabenelektrode implementiert ist, überlappen sich zum Beispiel die Rekombinationszone 159 und die Steuerelektrode 131 nicht entlang der ersten lateralen Richtung X, und falls die Steuerelektrode 131 als eine planare Elektrode implementiert ist, überlappen sich die Rekombinationszone 159 und die Steuerelektrode 131 nicht entlang der Vertikalrichtung Z.
  • Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich das erste dotierte Gebiet 102, beispielsweise entlang der Vertikalrichtung Z, tiefer in den Halbleiterkörper 10 als die Rekombinationszone 159. Zum Beispiel beläuft sich der Abstand entlang der Vertikalrichtung Z zwischen dem pn-Übergang 1021 und dem tiefsten Punkt der Rekombinationszone 159, zum Beispiel der in jeder der 17A-20A angezeigte Abstand ΔZ, auf mindestens 0,5 µm oder auf mindestens 5 µm. Bei einer Ausführungsform liegt der Abstand ΔZ innerhalb eines Bereichs von 1 µm bis 3 µm. Mittels des Abstands ΔZ kann zum Beispiel gewährleistet werden, dass die hohen elektrischen Feldstärken, zum Beispiel während eines oder beider der Sperrzustände des Leistungshalbleiterschalters 1, nicht innerhalb der Rekombinationszone 159 auftreten.
  • Ferner kann die Rekombinationszone 159 in Kontakt mit dem Emitteranschluss 11 oder entlang der Vertikalrichtung Z davon beabstandet, zum Beispiel um eine Strecke innerhalb eines Bereichs von 30 nm bis 4000 nm oder um eine Strecke innerhalb eines Bereichs von 50 nm bis 2000 nm oder um eine Strecke innerhalb eines Bereichs von 100 nm bis 1000 nm, sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann die gesamte Erstreckung der Rekombinationszone 159 entlang der Vertikalrichtung Z zwischen den Transistorzellen 14 variieren. Zum Beispiel umfasst ein erster Anteil der Transistorzellen 14 eine jeweilige Rekombinationszone 159 mit einer ersten Gesamterstreckung entlang der Vertikalrichtung Z, ein zweiter Anteil der Transistorzellen 14 umfasst eine jeweilige Rekombinationszone 159 mit einer zweiten Gesamterstreckung entlang der Vertikalrichtung Z, die von der ersten Gesamterstreckung verschieden ist, und ein dritter Anteil der Transistorzellen 14 umfasst keine Rekombinationszone 159.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst der Emitteranschluss 11 eine Kontaktnut 111, die sowohl an das Source-Gebiet 101 als auch an das erste dotierte Gebiet 102 angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone 159 mit der Kontaktnut 111 lateral überlappt (vgl. 19A) und laterale Abmessungen innerhalb eines Bereichs von 60% bis 200% oder innerhalb eines Bereichs von 80% bis 120% der lateralen Abmessungen der Kontaktnut 111 aufweist. Zum Beispiel weist die Rekombinationszone 159 eine laterale Gesamterstreckung in der ersten lateralen Richtung X auf, die sich im Wesentlichen auf 100% der lateralen Gesamterstreckung in der ersten lateralen Richtung X der Kontaktnut beläuft. Hinsichtlich der Herstellung (vgl. das in 22 dargestellte Verfahren 200) kann die Kontaktnut 111 innerhalb der Isolationsstruktur 142 ausgebildet werden, und die Rekombinationszone 159 kann durch Durchführen eines Implantationsverarbeitungsschritts erzeugt werden.
  • Die Kontaktnut 111 kann die Durchführung des Implantationsverarbeitungsschritts als einen selbstausrichtenden Verarbeitungsschritt gestatten. Zum Beispiel müssen gemäß einer Ausführungsform keine getrennten Masken zur Erzeugung der Rekombinationszone 159 bereitgestellt werden. Später kann die Kontaktnut 111 mit einem leitenden Material zur Verbindung mit dem Emitteranschluss 11 gefüllt werden, zum Beispiel um das Source-Gebiet 101 und das erste dotierte Gebiet 102 mit dem Emitteranschluss 11 elektrisch zu verbinden. Zusätzlich oder als Alternative dazu kann zur weiteren lateralen Strukturierung der Rekombinationszone 159 eine Maske (nicht dargestellt) eingesetzt werden, indem zum Beispiel ein Resistmaterial abgeschieden wird und Lithographieverarbeitungsschritte durchgeführt werden und indem nacheinander eine Implantation von zum Beispiel Protonen, Helium, Argon, Silizium, Sauerstoff, Molybdän, Platin, Gold und/oder Bor durchgeführt wird, um die Rekombinationsmitten 159 zu erzeugen, beispielsweise nur innerhalb eines bestimmten Anteils aller Transistorzellen 14, beispielsweise nur in jeder zweiten, dritten oder vierten Transistorzelle 14, wie oben erläutert wurde.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das aktive Gebiet 1-1 mehrere Transistorzellen 14, wie oben beschrieben, wobei jede Transistorzelle 14 zum Betrieb in dem leitenden Zustand, dem Vorwärts-Sperrzustand und dem Rückwärts-Sperrzustand konfiguriert sein kann. Ferner erstreckt sich die Rekombinationszone 159 nicht in das inaktive Randgebiet 1-2, das das aktive Gebiet 1-1 umgibt.
  • Nunmehr ausführlicher auf die 19A-B Bezug nehmend, kann das erste dotierte Gebiet 102 einen ersten Teilabschnitt 1023 und einen zweiten Teilabschnitt 1022 aufweisen. Der erste Teilabschnitt 1023 kann an den Emitteranschluss 11 (das heißt, den ersten Lastanschluss) angrenzen, und kann eine höhere Dotierstoffkonzentration als der zweite Teilabschnitt 1022 aufweisen. Der zweite Teilabschnitt 1022 kann an das Driftgebiet 100 angrenzen und zum Beispiel den pn-Übergang 1021 mit dem Driftgebiet 100 bilden. Das erste dotierte Gebiet 102 kann zum Beispiel aus diesen beiden Teilabschnitten 1022 und 1023 bestehen, wobei der Faktor zwischen den jeweiligen maximalen Dotierstoffkonzentrationen in diesen beiden Teilabschnitten 1022 und 1023 höher als 2, 10 oder sogar höher als 100 sein kann und wobei der zweite Teilabschnitt 1022 (hinsichtlich Raum) den dominierenden Teil des ersten dotierten Gebiets 102 bilden kann, wie in 19A dargestellt. Der erste Teilabschnitt 1023 kann einen hoch dotierten Kontaktabschnitt des ersten dotierten Gebiets 102 bilden.
  • Die Rekombinationszone 159 erstreckt sich zum Beispiel sowohl in den ersten als auch in den zweiten Teilabschnitt 1023, 1022; das heißt, auch in den höherdotierten ersten Teilabschnitt 1023.
  • Hinsichtlich aller hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Rekombinationszone 159 Kristallfehler aufweisen, die mehrere Rekombinationsmitten innerhalb der Rekombinationszone 159 bilden können.
  • Eine Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159 kann um einen Faktor von mindestens zwei mindestens entlang der ersten lateralen Richtung X und/oder der zweiten lateralen Richtung Y variieren. Zum Beispiel kann die Dichte der im ersten dotierten Gebiet 102 vorliegenden Rekombinationsmitten so eingestellt sein, dass sie in den Horizontalrichtungen ein bestimmtes Profil aufweist.
  • Ferner kann die Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159 auch oder als Alternative um einen Faktor von mindestens zwei entlang der Vertikalrichtung Z variieren. Die Variationsfaktoren (lateral/vertikal) können natürlich größer als zwei, zum Beispiel größer als 5, als 10 oder sogar größer als 100 sein. Eine Variation der Kristallfehlerkonzentration entlang der Vertikalrichtung Z wird in jeder der 19B in 20B schematisch und beispielhaft dargestellt, wobei eine Kristallfehlerkonzentration proportional zu einer Rekombinationsrate Nrecomb sein kann. Demgemäß kann die Kristallfehlerkonzentration bzw. die Rekombinationsrate Nrecomb anfangs entlang der Vertikalrichtung Z bis zu einer Spitze zunehmen und dann abnehmen. Die Abnahme der Kristallfehlerkonzentration ist, wie dargestellt, nicht linear. Zum Beispiel ist die Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer entlang der Vertikalrichtung Z aufgrund der Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159 inhomogen.
  • Bei einer Ausführungsform befindet sich die Spitze der Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159 bzw. die Spitze der Rekombinationsrate Nrecomb innerhalb einer oberen Hälfte des zweiten Teilabschnitts 1022 oder innerhalb einer unteren Hälfte des ersten Teilabschnitts 1023 des ersten dotierten Gebiets 102. Unter Bezugnahme auf 20B ist bei einer Ausführungsform die Spitze der Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159 während des Vorwärts-Sperrzustands entlang der Vertikalrichtung Z, beispielsweise um mindestens 100 nm oder mindestens 1 µm, von einer Spitze des elektrischen Felds E beabstandet. Zum Beispiel wird gewährleistet, dass sich die Spitze des elektrischen Felds nicht in die Rekombinationszone 159 erstreckt. Dazu kann zum Beispiel der oben erwähnte Mindestabstand ΔZ zwischen dem pn-Übergang 1021 und dem tiefsten Punkt der Rekombinationszone 159 gehalten werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 20A-B sollen beispielhafte Verläufe von Dotierstoffkonzentrationen NA (Akzeptordotierstoffkonzentration / p-Typ-Dotierstoffkonzentration) und ND (Donatordotierstoffkonzentration / n-Typ-Dotierstoffkonzentration) in Verbindung mit einem beispielhaften Verlauf des elektrischen Felds E und einem beispielhaften Verlauf der Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159, jeweils entlang der Vertikalrichtung Z, beschrieben werden. Zum Beispiel sind solche Verläufe bei einer Ausführungsform gemäß einer oder mehreren der 17A-19A zu finden.
  • Wie für einen IGBT üblich ist, kann die im Source-Gebiet 101 vorliegende Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel eine n-Typ-Dotierstoffkonzentration, relativ hoch sein. Das Dotierstoffkonzentrationsprofil des ersten dotierten Gebiets 102, zum Beispiel eine p-Typ-Dotierstoffkonzentration, kann in drei Teile geteilt werden; einen oberen Teil mit der höchsten Dotierstoffkonzentration, die zum Beispiel im ersten Teilabschnitt 1023 vorhanden ist, beispielsweise zur Herstellung eines niederohmigen Kontakts zum Emitteranschluss 11, einen mittleren Teil mit einer mittleren Dotierstoffkonzentration, die zum Beispiel im zweiten Teilabschnitt 1022 vorhanden ist, und einen unteren Teil, der zum Beispiel im zweiten Teilabschnitt 1022 enthalten ist, mit einer ziemlich niedrigen mittleren Konzentration, aber wahlweise mit einem lokalen Maximum, so dass zum Beispiel das erste dotierte Gebiet 102 einen Feldstopp oder eine Barrierenfunktionalität, zum Beispiel eine p-Barrierenfunktionalität, bereitstellt. Neben dem ersten dotierten Gebiet 102 erstreckt sich das Driftgebiet 100 entlang der Vertikalrichtung und weist eine ziemlich niedrige Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel eine n-Typ-Dotierstoffkonzentration, auf. Das Feldstoppgebiet 1092 weist eine Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel des n-Typs, auf, die wesentlich höher als im Driftgebiet 100 ist. Wie oben erläutert wurde, kann die Dotierstoffkonzentration des Feldstoppgebiets 1092 eine protoneninduzierte Dotierstoffkonzentration sein. Schließlich weist das Emittergebiet 1091, zum Beispiel ein p-Typ-Emitter, eine relativ hohe Dotierstoffkonzentration auf.
  • Das elektrische Feld E weist während des Vorwärts-Sperrzustands seine Spitze nahe dem ersten dotierten Gebiet 102 auf; gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Spitze jedoch nicht in die Rekombinationszone 159, die mindestens innerhalb des ersten dotierten Gebiets 102 implementiert ist. Stattdessen ist die Rekombinationszone 159 gemäß einer Ausführungsform während des Vorwärts-Sperrzustands von der Stelle der Spitze des elektrischen Felds räumlich getrennt.
  • Wie oben gezeigt wurde, kann die Rekombinationszone 159 die Kristallfehler umfassen. Die Kristallfehler können durch Implantieren von Ionen in das erste dotierte Gebiet 102 gebildet werden. Zum Beispiel enthalten die implantierten Ionen Helium und/oder Argon und/oder Silizium und/oder Sauerstoff und/oder Molybdän und/oder Platin und/oder Gold und/oder Bor. Bei einer anderen Ausführungsform werden Protonen implantiert.
  • Bei einer Ausführungsform sind die Kristallfehler bis zu einer Temperatur von mindestens 360°, von mindestens 390° oder von mindestens 420° temperaturbeständig. Ferner können die Kristallfehler eine solche Temperaturbeständigkeit mindestens für 1 Stunde, mindestens für zwei oder sogar für länger als vier Stunden aufweisen. Solche Temperaturbereiche und Zeitdauern können zum Beispiel während der Verarbeitung von dünnen Wafern auftreten. Im Falle von Ionen kann hierdurch zum Beispiel gewährleistet werden, dass die Beschädigung, zum Beispiel die Fehler, die durch Ionenimplantation verursacht werden, selbst nach einem thermischen Temperverarbeitungsschritt im Wesentlichen beibehalten werden können.
  • Schließlich auf das Verfahren 200 Bezug nehmend, das in 22 schematisch und beispielhaft dargestellt ist, sollte auf der Hand liegen, dass das Verfahren 200 bei verschiedenen Ausführungsformen, zum Beispiel Ausführungsformen, die den Ausführungsbeispielen des Leistungshalbleiterschalters 1 entsprechen, die bezüglich der vorhergehenden Zeichnungen erläutert wurden, implementiert werden. Bisher wurde auf oben Gesagtes Bezug genommen.
  • Das Verfahren 200 kann allgemein einen ersten Schritt 2000 umfassen, in dem ein mit einem ersten Lastanschluss und einem zweiten Lastanschluss zu koppelnder Halbleiterkörper bereitgestellt wird, der Folgendes umfasst: ein Driftgebiet mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein Source-Gebiet mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss elektrisch verbunden ist; und ein erstes dotiertes Gebiet mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das das Source-Gebiet von dem Driftgebiet trennt. Das Driftgebiet, das Source-Gebiet und das erste dotierte Gebiet ermöglichen dem Leistungshalbleiterschalter: in einem leitenden Zustand, während dessen ein Laststrom zwischen den Anschlüssen entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; in einem Vorwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und in einem Rückwärts-Sperrzustand, während dessen eine zwischen den Anschlüssen angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, betrieben zu werden.
  • Das Verfahren 200 kann ferner einen Schritt 2200 umfassen, in dem eine Rekombinationszone mit dem ersten dotierten Gebiet versehen wird.
  • Zum Beispiel kann Bereitstellen (in Schritt 2200) der Rekombinationszone Einführen von Kristallfehlern in den Halbleiterkörper mittels eines Implantationsverarbeitungsschritts und/oder eines Diffusionsverarbeitungsschritts umfassen. Die Implantation kann zum Beispiel mit einer Implantationsdosis innerhalb eines Bereichs von 1013 bis 1014 Atomen/cm2 durchgeführt werden. Im Anschluss an die Implantation kann ein thermischer Temperschritt durchgeführt werden, wobei die Kristallfehler so gewählt werden können, dass diese bis zu einer Temperatur von mindestens 360°, von mindestens 390° oder von mindestens 420° temperaturbeständig sind, wie oben gezeigt wurde. Diese Temperatur kann somit eine maximale Temperatur des thermischen Temperschritts sein. Statt einer Implantation kann auch eine kontrollierte Diffusion durchgeführt werden, um die Rekombinationszone zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein Schwermetall, zum Beispiel Platin, Palladium, Molybdän oder dergleichen, in den Halbleiterkörper diffundiert werden. Die Diffusion wird zum Beispiel unter Verwendung einer Maske kontrolliert und/oder durchgeführt, die die Herstellung einer Konzentration von Kristallfehlern, die beispielsweise auf eine in 19B und 20B dargestellte Weise in mindestens einer der lateralen Richtungen und der Vertikalrichtung variiert, gestatten kann. Darüber hinaus kann das Verfahren 200 so durchgeführt werden, dass die Rekombinationszone 159 nicht innerhalb der Abschlussstruktur des Leistungshalbleiterschalters vorgesehen wird; zum Beispiel wird weder der Implantationsverarbeitungsschritt noch der Diffusionsverarbeitungsschritt in der Abschlussstruktur durchgeführt.
  • Ferner kann das Bereitstellen (in Schritt 2200) der Rekombinationszone Durchführen eines selbstausrichtenden Verarbeitungsschritts unter Verwendung einer Nut umfassen, an der sowohl das Source-Gebiet als auch das erste dotierte Gebiet durch den ersten Lastanschluss kontaktiert werden sollen, wie unter Bezugnahme auf 19B beispielhaft erläutert wurde.
  • Hierin beschriebene Ausführungsformen des Leistungshalbleiterschalters können einen RB-IGBT und ein entsprechendes Herstellungsverfahren darstellen. Der RB-IGBT kann die Rekombinationszone innerhalb des aktiven Gebiets umfassen, die im ersten dotierten Gebiet (zum Beispiel im Halbleiterschalterbodygebiet), beispielsweise in der Nähe einer Vorderseite des RB-IGBTs implementiert ist. Die Rekombinationszone kann mindestens lateral strukturiert sein. Darüber hinaus kann die Kristallfehlerkonzentration entlang der ersten lateralen Richtung und/oder der zweiten lateralen Richtung und/oder der Vertikalrichtung variieren. Eine solche Variation kann gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen das Steuern der Verkürzung der Ladungsträgerlebensdauer nahe der Vorderseite des RB-IGBTs gestatten. Mittels der Rekombinationszone kann zum Beispiel ein Vorderseiten-Teiltransistor-Verstärkungsfaktor (als Alphapnp bekannt) niedrig gehalten werden und somit bleibt gleichzeitig der Leckstrom in Sperrrichtung gering. Bei einer Ausführungsform kann solch ein RB-IGBT in einem Multi-Level-Stromrichter, zum Beispiel in einem Stromrichter, der eine 3-Level-Konfiguration (zum Beispiel eine NPC2- oder T-Typ-Konfiguration) aufweist, oder in einem Matrixinverter eingesetzt werden.
  • LEISTUNGSHALBLEITERCHIP MIT ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Beispiele der oben genannten zweiten beispielhaften Untergruppe von Ausführungsformen, wobei das Leistungshalbleiterbauelement 1 als ein Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz oder als ein integriertes Leistungshalbleitermodul ausgestaltet ist, und auf Beispiele für entsprechende Verfahren.
  • Gemäß den zuvor unter Bezugnahme auf die 17 bis 22A beschriebenen Beispielen sind Transistorzellen 14 eines Leistungshalbleiterschalters (zum Beispiel eines rückwärtssperrenden IGBTs), die zum Leiten des Vorwärtslaststroms konfiguriert sind, mit dem ersten dotierten Gebiet 102 (das heißt, den Bodygebieten) ausgestattet, wobei das erste dotierte Gebiet 102 die Rekombinationszone 159 umfasst. In solch einem Kontext kann die vorgeschlagene pnp-Struktur (102 → 100/1092 → 109) gestatten, sowohl den Vorderseiten-Teiltransistor-Verstärkungsfaktor (als Alphapnp bekannt) niedrig zu halten als auch gleichzeitig den Leckstrom in Sperrrichtung gering zu halten, wie oben erklärt wird.
  • Gemäß einigen der unter Bezugnahme auf die 1 bis 16 beschriebenen folgenden Ausführungsformen können das erste dotierte Gebiet 102 und die (der Abschnitt der) Rekombinationszone 159 in einem anderen Kontext eingesetzt werden, nämlich in Halbleiterzellen, die sich von den Zellen unterscheiden, die zum Führen des Laststroms verwendet werden, zum Beispiel in bestimmten Durchbruchhalbleiterzellen, die sich nur dann in einem leitenden Zustand befinden, wenn eine an die Lastanschlüsse 11, 12 angelegte Spannung einen Überspannungsschwellenwert übersteigt. Zum Beispiel sind die bestimmten Durchbruchhalbleiterzellen in einem bestimmten Leistungshalbleiterchip mit Überspannungsschutz, der von dem Leistungshalbleiterbauelement, das zum Führen (des Nennlaststroms) verwendet wird, getrennt ist, integriert.
  • Die vorliegende Patentschrift bezieht sich somit auch auf einen auf einem Leistungshalbleiter basierenden Chip mit Überspannungsschutz zum Schützen eines Leistungshalbleiter-Dies gegen eine Überspannung, zum Beispiel gegen eine transiente Überspannung, die während eines Schaltvorgangs auftreten kann. Der hierin beschriebene Chip mit Überspannungsschutz kann auch ein Leistungshalbleiterbauelement darstellen, da er dahingehend konfiguriert sein kann, einen Laststrom von beispielsweise mindestens 1A bis zu 30A, wie zum Beispiel mindestens 2A, zum Beispiel mindestens 5A, mindestens 10A oder sogar über 20A, vorübergehend zu führen, um eine an dem zu schützenden Leistungshalbleiterbauelement auftretende Überspannung zu reduzieren, und da er die Fähigkeit aufweist, Spannungen zu sperren.
  • 1 stellt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion eines Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz - im Folgenden auch einfach als „Chip“ bezeichnet - gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar.
  • Der Chip 1 weist einen Halbleiterkörper 10 auf, der sowohl ein aktives Gebiet 1-1 als auch ein inaktives Randgebiet 1-2 des Chips 1 umfasst. Der Halbleiterkörper 10 kann sowohl mit einem ersten Lastanschluss als auch einem zweiten Lastanschluss (in 1 nicht dargestellt; vgl. Bezugszahlen 11 und 12 in den anderen Zeichnungen, zum Beispiel den 2A-B) gekoppelt sein, wobei der erste Lastanschluss auf der Vorderseite des Chips 1 angeordnet sein kann, und wobei der zweite Lastanschluss auf der Rückseite des Chips 1 angeordnet sein kann. Die Chipvorderseite und die Chiprückseite können einander gegenüberliegend angeordnet sein, und demgemäß kann der Chip 1 einen sich entlang der Vertikalrichtung Z erstreckenden vertikalen Aufbau aufweisen.
  • Das inaktive Randgebiet 1-2 kann das aktive Gebiet 1-1, beispielsweise auf eine für ein Leistungshalbleiterbauelement übliche Weise, umgeben. Das inaktive Randgebiet 1-2 kann durch einen Rand 1-21 abgeschlossen werden, der beispielsweise mittels Wafer-Dicing entstanden sein kann.
  • Das aktive Gebiet 1-1 kann mehrere Durchbruchzellen 15 umfassen, die ein Zellenfeld des aktiven Gebiets 1-1 bilden können. Die Durchbruchzellen 15 können mit einem Abstand P (vgl. 24) innerhalb eines Bereichs von mehreren Mikrometern, zum Beispiel innerhalb eines Bereichs von 10 bis 30 µm, zum Beispiel entlang der ersten lateralen Richtung X, angeordnet sein.
  • Das inaktive Randgebiet 1-2 weist zum Beispiel eine höhere Durchlassspannung als jede der Durchbruchzellen 15 auf. Somit kann der Chip 1 gemäß einer Ausführungsform dahingehend konfiguriert sein, zu gewährleisten, dass der Durchbruch beispielsweise aufgrund einer an den Lastanschlüssen vorliegenden Überspannung innerhalb des aktiven Gebiets 1-1 und nicht innerhalb des inaktive Randgebiets 1-2 auftritt. Dieser Aspekt wird unten näher erläutert.
  • Wie dargestellt, können die Durchbruchzellen 15 eine zellulare Konfiguration mit zum Beispiel einem kreisförmigen Umfang aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform können die Zellen 15 einen rechteckigen Umfang, einen ellipsenförmigen Umfang oder einen Querschnitt mit einer anderen geometrischen Form aufweisen.
  • Jede der Durchbruchzellen 15 weist zum Beispiel eine zellulare Konfiguration auf, und die Durchbruchzellen 15 sind innerhalb des aktiven Gebiets 1-1 gemäß einem hexagonalen Mosaikmuster angeordnet.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform können die Zellen 15 eine Streifenzellenkonfiguration mit zum Beispiel einer lateralen Erstreckung aufzeigen, die ungefähr der lateralen Erstreckung des aktiven Gebiets 1-1 entspricht.
  • Die 2A-2B zeigen jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie oben erwähnt, kann der Chip 1 mehrere Durchbruchzellen 15 umfassen, die in dem aktiven Gebiet 1-1 angeordnet sind. Die 2A-B und 3, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, stellen beispielhafte Konfigurationen einer solchen Durchbruchzelle 15 dar.
  • Die Durchbruchzelle 15 kann eine Isolationsstruktur 16 umfassen, die auf der Chipvorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung 161 (entsprechend der Isolationsstruktur 142 (wie zum Beispiel in 19A gezeigt) und der oben erwähnten Kontaktnut 111) aufweist, in die sich der erste Lastanschluss 11 erstreckt, der an den Halbleiterkörper 10 angrenzt. Bereits an dieser Stelle wird betont, dass die Vertiefung 161 nicht notwendigerweise eine wie in 2A-B dargestellte Tiefe aufweisen muss. Vielmehr kann die Isolationsstruktur 16 eine elektrische Isolierung zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und einem Abschnitt des Halbleiterkörpers 10 bereitstellen und zur gleichen Zeit ermöglichen, dass der erste Lastanschluss 11 zum Beispiel mittels der Vertiefung 161 an einen anderen Abschnitt des Halbleiterkörpers 10 angrenzt.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Vertiefung 161 eine Breite entlang der ersten lateralen Richtung innerhalb eines Bereichs von bis zu 50% des Abstands P aufweisen. Die Breite der Vertiefung 161 beläuft sich zum Beispiel auf einen Wert zwischen 0,5 µm und 12 µm. Eine Dicke (entlang der Vertikalrichtung Z) der Isolationsstruktur 16, die die Vertiefung 161 bildet, kann sich auf mindestens mehrere Hundert Nanometer belaufen.
  • Die Durchbruchzelle 15 kann ferner die folgenden Gebiete umfassen, die zum Beispiel jeweils in dem Halbleiterkörper 10 implementiert sind: ein Driftgebiet 100 des ersten Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel mit n-Typ-Dotierstoffen; ein erstes dotiertes Gebiet 102 (zum Beispiel ein Anodengebiet 102) des zweiten Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel mit p-Typ-Dotierstoffen, das mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist; ein erstes Barrieregebiet 152 des zweiten Leitfähigkeitstyps, das eine niedrigere Dotierstoffkonzentration als das erste dotierte Gebiet 102 aufweist und in Kontakt sowohl mit dem ersten dotierten Gebiet 102 als auch der Isolationsstruktur 16 angeordnet ist; und ein zweites Barrieregebiet 153 des ersten Leitfähigkeitstyps, das eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100 aufweist und sowohl das erste dotierte Gebiet 102 als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets 152 von dem Driftgebiet 100 trennt; und ein dotiertes Kontaktgebiet 109, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet ist, wobei das Driftgebiet 100 zwischen dem zweiten Barrieregebiet 153 und dem dotierten Kontaktgebiet 109 positioniert ist.
  • Hinsichtlich Funktionalität kann jede Durchbruchzelle 15 so konfiguriert sein, dass sie in einem nicht leitenden Zustand (hier auch als Vorwärts-Sperrzustand bezeichnet) verbleibt, falls die Spannung zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 unterhalb einer Nennchipsperrspannung liegt, zum Beispiel mit dem höheren Potential an dem zweiten Lastanschluss 12 vorliegend. Wenn die Spannung zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 über die Nennchipsperrspannung ansteigt, kann die Durchbruchzelle 15 jedoch einen leitenden Durchbruchzustand annehmen, zum Beispiel mit dem höheren Potential an dem zweiten Lastanschluss 12 vorliegend. Zum Beispiel leitet die Durchbruchzelle 15 während des nicht leitenden Zustands keinen Laststrom zwischen dem ersten Lastanschluss 11 und dem zweiten Lastanschluss 12. Stattdessen wird die zwischen den Lastanschlüssen 11 und 12 angelegte Spannung gesperrt, zum Beispiel mit dem höheren Potential an dem zweiten Lastanschluss 12 vorliegend. Ferner kann ein Laststrom während des leitenden Durchbruchzustands zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 geleitet werden, um zum Beispiel die Spannung auf einen Wert kleiner gleich der Nennchipsperrspannung zu reduzieren.
  • Bei einer Ausführungsform kann jede Durchbruchzelle 15 ferner so konfiguriert sein, dass sie in einem nicht leitenden Rückwärts-Sperrzustand verbleibt, wenn zum Beispiel der erste Lastanschluss 11 ein größeres Potential als der zweite Lastanschluss 12 aufweist.
  • Auf alle hierin beschriebenen Ausführungsformen Bezug nehmend, kann die Nennchipsperrspannung größer gleich 600 V, größer als 3000 V oder sogar größer als 8000 V sein.
  • Der Chip 1 ist zum Beispiel mit einem Leistungshalbleitertransistor gekoppelt, und jede der Durchbruchzellen 15 ist für eine Nennchipsperrspannung konfiguriert, die in Abhängigkeit von einer Nennsperrspannung des Transistors 2 bestimmt worden ist (vgl. 6). Dementsprechend kann die zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 angelegte Spannung im Wesentlichen gleich einer an den Leistungshalbleitertransistor angelegten Ist-Spannung sein, der mittels des Chips 1 vor einer Überspannung, zum Beispiel einer transienten Überspannung, geschützt werden soll. Zum Beispiel kann das an den zweiten Lastanschluss 12 angelegte elektrische Potenzial gleich dem elektrischen Potential sein, das an einem Kollektor(Drain)-Anschluss des Leistungshalbleitertransistors vorliegt, und das an den ersten Lastanschluss 11 angelegte elektrische Potential kann gleich dem elektrischen Potential sein, das an einem Gate-Anschluss, zum Beispiel einem Steueranschluss, des Leistungshalbleitertransistors vorliegt. Dieser Aspekt wird unten ausführlicher erläutert.
  • Im Folgenden sollen mehrere beispielhafte Strukturmerkmale, zum Beispiel Dotierstoffkonzentrationen und räumliche Abmessungen, der mehreren Gebiete des Halbleiterkörpers 10 erläutert werden.
  • Das Driftgebiet 100 kann den Hauptteil des Halbleiterkörpers 10 darstellen und kann eine Dotierstoffkonzentration in einem Bereich von 5*1012 cm-3 bis 2*1014 cm-3 oder in einem Bereich von 2*1013 cm-3 bis 1*1014 cm-3 oder in einem Bereich von 3*1013 cm-3 bis 8*1013 cm3 aufweisen. Zum Beispiel kann sich das Driftgebiet 100 entlang der Ausdehnungsrichtung Z über mindestens 40 µm erstrecken, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 40 µm und 650 µm oder in einem Bereich von 60 µm bis 350 µm oder von 100 µm bis 200 µm. Die Gesamtausdehnung des Driftgebiets 100 sowie seine Dotierstoffkonzentration kann in Abhängigkeit von der Nennchipsperrspannung, für die der Chip 1 ausgelegt sein soll, ausgewählt werden.
  • Zusätzlich auf 3 Bezug nehmend, die schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz gemäß einer Ausführungsform darstellt, kann das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnete dotierte Kontaktgebiet 109 ein Emittergebiet 1091, zum Beispiel einen Rückseitenemitter, und optional ein Feldstoppgebiet 1092 umfassen. Das Emittergebiet 1091 kann Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei zum Beispiel eine maximale Dotierstoffkonzentration in einem Bereich von 1*1016 cm-3 bis 1*1020 cm-3 oder in einem Bereich von 1*1017 cm-3 bis 1*1019 cm-3 liegt. Das Feldstoppgebiet 1092 kann Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei zum Beispiel eine maximale Dotierstoffkonzentration höher als die Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets 100 ist, zum Beispiel in einem Bereich von 5*1013cm-3 bis 1*1016cm-3 oder in einem Bereich von 1*1014 cm-3 bis 2*1015 cm-3 liegt. Zum Beispiel ist das Emittergebiet 1091 mit dem zweiten Lastanschluss 12 elektrisch verbunden, und das Feldstoppgebiet 1092 ist zwischen dem Driftgebiet 100 und dem Emitter 1091 angeordnet. Das dotierte Kontaktgebiet 109 kann eine Gesamterstreckung entlang der Erstreckungsrichtung Z aufweisen, die verglichen mit der Gesamterstreckung des Driftgebiets 100 erheblich kleiner ist. Bei einer Ausführungsform kann das dotierte Kontaktgebiet 109 auf eine ähnliche Weise wie die Rückseitenstruktur eines Halbleiterkörpers eines Transistors, zum Beispiel eines IGBT, konfiguriert sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Übergang zwischen dem zweiten Lastanschluss 12 und dem dotierten Kontaktgebiet 109 einen Schottky-Kontakt bilden. Zum Beispiel kann dies ermöglichen, eine geringe Spannungssperrfähigkeit/-struktur in Rückwärtsrichtung zu realisieren. Dazu kann angemessen sein, dass das dotierte Kontaktgebiet 109 an der Grenzfläche zu dem zweiten Lastanschluss 12 eine n-Typ-Dotierstoffkonzentration aufweist, die den Wert von 1*1019 cm-3 nicht übersteigt.
  • Nunmehr die Vorderseitenstruktur des Halbleiterkörpers 10 betrachtend, wird bei einer Ausführungsform die elektrische Verbindung zwischen der Vorderseite des Halbleiterkörpers 10 und dem ersten Lastanschluss 11 lediglich mittels eines Übergangs zwischen dem ersten dotierten Gebiet 102 und dem ersten Lastanschluss 11 hergestellt. Zum Beispiel ist keines von dem ersten Barrieregebiet 152, dem zweiten Barrieregebiet 153 und dem Driftgebiet 100 in Kontakt mit dem ersten Lastanschluss 11 angeordnet.
  • Ferner kann das zweite Barrieregebiet 153 so angeordnet sein, dass sowohl das gesamte erste dotierte Gebiet 102 als auch das gesamte erste Barrieregebiet 152 von dem Driftgebiet 100 getrennt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform bildet mindestens eines der ersten Barrieregebiete 152 und der zweiten Barrieregebiete 153 der Durchbruchzellen 15 eine zusammenhängende Halbleiterschicht. Somit können alle Durchbruchzellen 15 des aktiven Gebiets 1-1 mittels einer zusammenhängenden Halbleiterschicht, die das jeweilige erste Barrieregebiet 152 für jede Durchbruchzelle 15 darstellt, miteinander verbunden sein. Dieser optionale Aspekt wird in 24, die einen vertikalen Querschnitt einer Ausführungsform des in 1 gezeigten Chips 1 zeigt, beispielhaft schematisch dargestellt. Folglich können sich sowohl das erste Barrieregebiet 152 als auch das zweite Barrieregebiet 153 zusammenhängend innerhalb des aktiven Gebiets 1-1 erstrecken, um einen Teil mehrerer oder sogar alle Durchbruchzellen 15 des Chips zu bilden.
  • Jedes erste Barrieregebiet 152 kann dahingehend angeordnet sein, die Isolationsstruktur 16 vor zu hohen elektrischen Feldstärken zu schützen.
  • Wie auch in 24 gezeigt, kann sich zum Beispiel das erste dotierte Gebiet 102 tiefer in den Halbleiterkörper 10 als das erste Barrieregebiet 152 erstrecken, wobei ein aufgrund des Unterschieds des Tiefengrads gebildeter Absatz 154 durch das zweite Halbleiterbarrieregebiet 153 bedeckt werden kann. Mit anderen Worten, der Absatz 154 kann an dem Übergang zwischen dem ersten dotierten Gebiet 102 und dem zweiten Barrieregebiet 153 gebildet werden. Darüber hinaus kann, wie oben erwähnt wurde, die Dotierstoffkonzentration des ersten dotierten Gebiets 102 verglichen mit der Dotierstoffkonzentration des ersten Barrieregebiets 152 höher sein.
  • Zum Beispiel definiert der Absatz 154 die Stelle eines anfänglichen Durchschlags, wenn die zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 angelegte Spannung die Nennchipsperrspannung übersteigt. Dieser Aspekt wird unten unter Bezugnahme auf 4 ausführlicher erläutert.
  • Der Absatz 154 kann sich zum Beispiel über mindestens 1 µm, über mindestens 3 µm oder sogar über mehr als 4 µm entlang der Erstreckungsrichtung Z erstrecken. Es sollte auf der Hand liegen, dass der Absatz 154 in Abhängigkeit von dem Prozess einen Verlauf aufweisen kann, der etwas anders als dargestellt ist. Der Absatz 154 befindet sich ungefähr an der zwischen einem unteren Ende des ersten dotierten Gebiets 102 und Seitenwänden des ersten dotierten Gebiets 102 gebildeten Ecke. Die Ecke kann eine abgerundete Ecke sein.
  • Die Dotierstoffe zum Bilden der ersten dotierten Gebiete 102 können durch Durchführung eines Implantationsverarbeitungsschritts unter Verwendung der Isolationsstruktur 16 und der mehreren Vertiefungen 161 davon als eine Maske, das heißt, mittels eines selbsteinstellenden (selbstausrichtenden) Prozesses, bereitgestellt werden.
  • Die im ersten dotierten Gebiet 102, im ersten Barrieregebiet 152 sowie im zweiten Barrieregebiet 153 vorhandenen Dotierstoffe können zum Beispiel implantierte Dotierstoffe sein. Dies kann Erzeugen eines genauen Dotierstoffkonzentrationsprofils entlang der Erstreckungsrichtung Z gestatten.
  • Nunmehr auf 4 Bezug nehmend, die jeden der Verläufe der Dotierstoffkonzentrationen CCND, CCNA und einen Verlauf eines elektrischen Felds E (jeweils in einer willkürlichen Einheit (willk. Einh.)) bei einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz, zum Beispiel bei der in 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsform, und entlang einer parallel zu der Erstreckungsrichtung Z verlaufenden Achse, die die Vertiefung 161 an einer mittleren Stelle kreuzt, schematisch und beispielhaft darstellt, kann das Folgende gelten:
  • Die Dotierstoffdosis (CCNA) des ersten dotierten Gebiets 102 kann in einem Bereich von 1*1013 cm-2 bis 5*1014 cm-2 oder in einem Bereich von 5*1014 cm-2 bis 1*1015 cm-2 liegen. In jedem Fall kann die Dotierstoffdosis des ersten dotierten Gebiets 102 höher als die Dotierstoffkonzentration des ersten Barrieregebiets 152 sein, zum Beispiel höher als ein Faktor von mindestens 10, von mindestens 50 oder von sogar mehr als 100. Zum Beispiel kann sich das erste dotierte Gebiet 102 entlang der Erstreckungsrichtung Z über mindestens 1 µm erstrecken, zum Beispiel in einem Bereich von 1 µm bis 3 µm oder in einem Bereich von 3 µm bis 6 µm.
  • Die Dotierstoffdosis des ersten Barrieregebiets 152 (in 4 nicht dargestellt) kann in einem Bereich von 1*1011 cm-2 bis 1*1014 cm-2 oder in einem Bereich von 5*1011 cm-2 bis 1*1013 cm-2 oder in einem Bereich von 1*1012 cm-2 bis 8*1012 cm-2 liegen. Zum Beispiel kann sich das erste Barrieregebiet 152 über mindestens 1 µm entlang der Erstreckungsrichtung Z erstrecken.
  • Die Dotierstoffdosis (CCND) des zweiten Barrieregebiets 153, das angrenzend an das erste dotierte Gebiet 102 angeordnet ist, kann in einem Bereich von 1*1012 cm-2 bis 1*1014 cm-2 oder in einem Bereich von 5*1012 cm-2 bis 5*1013 cm-2 oder in einem Bereich von 1*1012 cm-2 bis 1*1013 cm-2 liegen. In jedem Fall kann die Dotierstoffkonzentration des zweiten Barrieregebiets 153 höher als die Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets 100 sein, zum Beispiel höher als ein Faktor von mindestens 1,5, von mindestens 4 oder von sogar mehr als 6. Zum Beispiel kann sich das zweite Barrieregebiet 153 über mindestens 3 µm entlang der Erstreckungsrichtung Z erstrecken.
  • Wie bereits oben gezeigt, kann der Emitter 1091, falls vorhanden, eine integrale Dotierstoffkonzentration (CCNA) in einem Bereich von 1*1012 cm-2 bis 1*1014 cm-2 aufweisen, und das Feldstoppgebiet 1092 kann eine volumetrische Spitzendotierstoffkonzentration (CCND) in einem Bereich von 5*1013 cm-3 bis 1*1016 cm-3 oder in einem Bereich von 1*1014 cm-3 bis 2*1015 cm-3 aufweisen.
  • Das zweite Barrieregebiet 153 kann zum Beispiel dahingehend konfiguriert sein, die Änderungsrate des elektrischen Felds in dem nicht leitenden Zustand der Durchbruchzelle 15 zu erhöhen. Wie in 4 gezeigt, kann das elektrische Feld E während des nicht leitenden (das heißt sperrenden) Zustands der Durchbruchzelle 15 ein Maximum in einer Zone aufweisen, in der das erste dotierte Gebiet 102 an das zweite Barrieregebiet 153, angrenzt, zum Beispiel am Absatz 154. Demgemäß wird sich der anfängliche Durchschlag während einer zwischen den Lastanschlüssen 11 und 12 angelegten Überspannung gemäß einer Ausführungsform in dieser Zone befinden, zum Beispiel an dem am Übergang zwischen dem ersten dotierten Gebiet 102 und dem zweiten Barrieregebiet 153 gebildeten Absatz. Somit kann die vorgeschlagene Struktur der Durchbruchzelle 15 bei einer Ausführungsform eine exakte Positionierung der Stelle des anfänglichen Durchbruchs in dem Chip 1 ermöglichen.
  • Zusätzlich auf 5, die schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion darstellt, Bezug nehmend, können das erste dotierte Gebiet 102, das erste Barrieregebiet 152 und das zweite Barrieregebiet 153 gemäß einer Ausführungsform in jeder der Durchbruchzellen 15 bezüglich einer fiktiven vertikalen Achse, die die jeweilige Durchbruchzelle 15 durchquert, symmetrisch angeordnet sein. Die fiktive vertikale Achse kann parallel zu der Erstreckungsrichtung Z angeordnet sein. Demgemäß kann, wie oben erwähnt wurde, jede Durchbruchzelle 15 zum Beispiel einen kreisförmigen horizontalen Querschnitt aufweisen. Zum Beispiel kann eine solche Konfiguration auch zu einer exakten Positionierung der Stelle des Durchbruchs beitragen, und sie kann ferner eine Bewegung des Durchbruchs verhindern.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Durchbruchzelle 15, wie zum Beispiel in 2B sowie in 24 schematisch beispielhaft dargestellt wird, ferner die Rekombinationszone 159 umfassen, die sich mindestens in das erste dotierte Gebiet 102 erstreckt.
  • Die Rekombinationszone 159 stellt zum Beispiel eine lokal verringerte Ladungsträgerlebensdauer bereit. Dadurch kann zum Beispiel eine Rekombinationsrate innerhalb der Rekombinationszone 159, das heißt innerhalb des ersten dotierten Gebiets 102, erhöht werden.
  • Aufgrund der Rekombinationszone 159 kann die Durchbruchzelle 15 eine inhomogene Ladungsträgerlebensdauer entlang der Erstreckungsrichtung Z, zumindest nahe dem ersten Lastanschluss 11, bereitstellen. Zum Beispiel variiert die Ladungsträger lebensdauer in dem ersten dotierten Gebiet 102 aufgrund der Rekombinationszone 159 entlang der Erstreckungsrichtung Z um einen Faktor von mindestens 10 oder sogar von mindestens 100.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Rekombinationszone 159 gestatten, dass eine Temperaturabhängigkeit eines eventuellen Sperrstroms (der auch als „Leckstrom in Sperrrichtung“ bezeichnet werden könnte) reduziert oder sogar beseitigt wird, zum Beispiel aufgrund einer verstärkungsverbesserten Ladungsträgererzeugung. Ein solcher Sperrstrom kann entstehen, wenn das Potential des ersten Lastanschlusses 11 größer als das Potential des zweiten Lastanschlusses 12 ist, zum Beispiel während des rückwärts sperrenden Zustandes der Durchbruchzelle 15.
  • Darüber hinaus kann die Rekombinationszone 159, das heißt ihre Erstreckung entlang der Erstreckungsrichtung Z und die darin vorliegende Ladungsträgerlebensdauer, dahingehend gewählt werden, einen Verstärkungsfaktor (α) des dotierten Kontaktgebiets 109 einzustellen, das, wie oben erläutert wurde, das Emittergebiet 1091 enthalten kann.
  • Gemäß einer (nicht dargestellten) Ausführungsform kann sich die Rekombinationszone 159 auch in den Abschnitt des zweiten Barrieregebiets 153, der unterhalb des ersten dotierten Gebiets 102 angeordnet ist, und wahlweise sogar geringfügig in das Driftgebiet 100 erstrecken.
  • Die Rekombinationszone 159 kann zum Beispiel durch Durchführung eines Schadensimplantationsprozessschritts, zum Beispiel unter Verwendung der Isolationsstruktur 16 und ihrer Vertiefung 161 als eine Maske, erzeugt werden. Dementsprechend kann die Rekombinationszone 159 bei einer Ausführungsform unter Verwendung eines selbsteinstellenden (selbstausrichtenden) Prozesses, während dessen zum Beispiel keine separate Maske benötigt wird, um die Rekombinationszone 159 ordnungsgemäß zu positionieren, erzeugt werden. Mittels der Durchführung des Implantationsverarbeitungsschritts mit einer definierten Implantationsenergie und einer definierten Implantationsdosis und - dauer können die Gesamterstreckung der Rekombinationszone 159 entlang der Erstreckungsrichtung Z und die darin vorhandene Ladungsträgerlebensdauer exakt eingestellt werden.
  • Bei einer Ausführungsform wird Argon (Ar) und/oder Silicium (Si) und/oder Sauerstoff (O) und/oder Helium (He) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Bor (B) als ein Implantationsmaterial zum Bilden der Rekombinationszone 159 verwendet. Bei einer anderen Ausführungsform werden Protonen zum Bilden der Rekombinationszone 159 implantiert.
  • Der Implantationsverarbeitungsschritt kann zum Beispiel mit einer Implantationsdosis in einem Bereich von 5e13 Atomen/cm2 bis 1e15 Atomen/cm2 und/oder einer Implantationsenergie in einem Bereich von 150 keV bis 1,5 MeV erfolgen.
  • Nach dem Implantationsverarbeitungsschritt kann ein Hochtemperaturtemperverarbeitungsschritt, zum Beispiel bei Temperaturen unterhalb von 450°C, erfolgen, um zum Beispiel den durch die Implantation verursachten Schaden beizubehalten.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird die Rekombinationszone 159 durch Durchführung eines Diffusionsverarbeitungsschritts erzeugt. Zum Beispiel kann ein Schwermetall, wie etwa Platin (Pt), Palladium (Pd) und/oder Molybdän (Mo), verwendet werden, um ein inhomogenes Ladungsträgerlebensdauerprofil entlang der Erstreckungsrichtung Z zu erzeugen.
  • Bei einer Ausführungsform variiert die Ladungsträgerlebensdauer nicht nur entlang der Erstreckungsrichtung Z, sondern zusätzlich oder alternativ dazu auch entlang mindestens einer der lateralen Richtungen X und Y.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Konzentration des Materials, das zum Bilden der Rekombinationszone 159 verwendet wird, zum Beispiel eines Schadensmaterials, ihr Maximum bei einer Mittelposition der Rekombinationszone 159 entlang der Erstreckungsrichtung Z aufweisen. Ferner kann die Ladungsträgerlebensdauer umgekehrt proportional zu der Konzentration sein. Somit kann die Ladungsträgerlebensdauer zum Beispiel bei der mittleren Position der Rekombinationszone 159 entlang der Erstreckungsrichtung Z (wobei die Position innerhalb des ersten dotierten Gebiets 102 angeordnet sein kann) ein Minimum aufweisen.
  • Ferner kann die Konzentration des Materials, das zum Bilden der Rekombinationszone 159 verwendet wird, entlang den lateralen Richtungen X und Y (und entlang einer beliebigen Linearkombination von diesen) zum Beispiel auf eine exponentielle Weise abnehmen.
  • Unter Bezugnahme auf die 25A-B sollen beispielhafte Verläufe von Dotierstoffkonzentrationen NA (Akzeptordotierstoffkonzentration / p-Typ-Dotierstoffkonzentration) und ND (Donatordotierstoffkonzentration / n-Typ-Dotierstoffkonzentration) in Verbindung mit einem beispielhaften Verlauf des elektrischen Felds E und einem beispielhaften Verlauf der Kristallfehlerkonzentration der Rekombinationszone 159, jeweils entlang der Vertikalrichtung Z, beschrieben werden. Zum Beispiel sind solche Verläufe bei einer Ausführungsform gemäß einer oder mehreren der 1-16 zu finden, wobei sich 25A mit dem zweiten Barrieregebiet 153 befasst (das erste Barrieregebiet 152 kann vorliegen oder nicht vorliegen; unter Bezugnahme auf 3 kreuzt zum Beispiel ein Querschnitt entlang der Vertikalrichtung Z durch die Vertiefung 161 nicht das erste Barrieregebiet 152).
  • Das Dotierstoffkonzentrationsprofil des ersten dotierten Gebiets 102, zum Beispiel eine p-Typ-Dotierstoffkonzentration, kann in zwei oder mehr Teile getrennt werden, zum Beispiel in einen oberen Teil mit der höchsten Dotierstoffkonzentration, beispielsweise zur Herstellung eines niederohmigen Kontakts zum Emitteranschluss 11, einen mittleren Teil mit einer mittleren Dotierstoffkonzentration und wahlweise einen unteren Teil mit einer ziemlich niedrigen mittleren Konzentration, aber wahlweise mit einem lokalen Maximum (in 25A nicht dargestellt), so dass zum Beispiel das erste dotierte Gebiet 102 einen Feldstopp oder eine Barrierenfunktionalität, zum Beispiel eine p-Barrierenfunktionalität, bereitstellt. Neben dem ersten dotierten Gebiet 102 oder damit gekoppelt erstreckt sich das Driftgebiet 100 entlang der Vertikalrichtung und weist eine ziemlich niedrige Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel eine n-Typ-Dotierstoffkonzentration, auf. Wie oben erläutert, kann das zweite Barrieregebiet 153 zwischen der ersten dotierten Zone 102 und dem Driftgebiet 100 implementiert werden, wobei das zweite Barrieregebiet 153 den pn-Übergang 1021 mit der ersten dotierten Zone 102 bildet und eine wesentlich höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100 aufweist. Das Feldstoppgebiet 1092 weist eine Dotierstoffkonzentration, zum Beispiel des n-Typs, auf, die wesentlich höher als im Driftgebiet 100 ist. Wie oben erläutert wurde, kann die Dotierstoffkonzentration des Feldstoppgebiets 1092 eine protoneninduzierte Dotierstoffkonzentration sein. Schließlich weist das Emittergebiet 1091, zum Beispiel ein p-Typ-Emitter, eine relativ hohe Dotierstoffkonzentration auf.
  • Das elektrische Feld E weist während des Vorwärts-Sperrzustands seine Spitze nahe dem ersten dotierten Gebiet 102 auf; gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Spitze jedoch nicht in die Rekombinationszone 159, die mindestens innerhalb des ersten dotierten Gebiets 102 implementiert ist. Stattdessen ist die Rekombinationszone 159 gemäß einer Ausführungsform während des Vorwärts-Sperrzustands von der Stelle der Spitze des elektrischen Felds räumlich getrennt (vgl. Abstand ΔZ). Der Abstand entlang der Vertikalrichtung Z zwischen dem pn-Übergang 1021 und einem tiefsten Punkt der Rekombinationszone 159, zum Beispiel der jeweils in 25A gezeigte Abstand ΔZ, beläuft sich zum Beispiel auf mindestens 0,5 µm oder auf mindestens 5 µm. Bei einer Ausführungsform liegt der Abstand ΔZ in einem Bereich von 1 µm bis 3 µm.
  • Wie oben gezeigt wurde, kann die Rekombinationszone 159 die Kristallfehler umfassen. Die Kristallfehler können durch Implantieren von Ionen in das erste dotierte Gebiet 102 gebildet werden. Zum Beispiel enthalten die implantierten Ionen Helium und/oder Argon und/oder Silizium und/oder Sauerstoff und/oder Molybdän und/oder Platin und/oder Gold und/oder Bor. Bei einer anderen Ausführungsform werden Protonen implantiert.
  • Bei einer Ausführungsform sind die Kristallfehler bis zu einer Temperatur von mindestens 360°, von mindestens 390° oder von mindestens 420° temperaturbeständig. Ferner können die Kristallfehler eine solche Temperaturbeständigkeit mindestens für 1 Stunde, mindestens für zwei oder sogar für länger als vier Stunden aufweisen. Solche Temperaturbereiche und Zeitdauern können zum Beispiel während der Verarbeitung von dünnen Wafern auftreten. Im Falle von Ionen kann hierdurch zum Beispiel gewährleistet werden, dass die Beschädigung, zum Beispiel die Fehler, die durch Ionenimplantation verursacht werden, selbst nach einem thermischen Temperverarbeitungsschritt im Wesentlichen beibehalten werden können.
  • Hinsichtlich weiterer Aspekte der Rekombinationszone 159, wie in 25A gezeigt, zum Beispiel ihrer Position, ihrer Rekombinationsmitten usw., wird auf die obige Beschreibung von Schalter 1, zum Beispiel auf die Beschreibung der 20A-B, verwiesen.
  • 6 zeigt schematisch und beispielhaft eine Ersatzschaltung eines Leistungshalbleitermoduls 3, die einen Leistungshalbleitertransistor 2 und eine Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz umfasst. Der Leistungshalbleiterchip 1 mit Überspannungsschutz kann eine der Konfigurationen aufweisen, die oben unter Bezugnahme auf die vorherigen Zeichnungen erläutert worden sind.
  • Demgemäß kann der Chip 1 in einer Ersatzschaltung als zwei Dioden gezeigt werden, die antiseriell miteinander verbunden sind (vgl. auch 23), wobei die beiden Kathodengebiete der Dioden durch das Driftgebiet 100 gebildet werden können. Zum Beispiel kann der gegen eine Überspannung zu schützende Leistungshalbleitertransistor 2 eine IGBT-Konfiguration aufweisen. Zum Beispiel weist der Transistor 2 einen Emitteranschluss (auch als Emitteranschluss bezeichnet) 21, einen Kollektoranschluss (auch als Drainanschluss bezeichnet) 22 und einen Gate-Anschluss 23, der zum Beispiel einen Steueranschluss bilden kann, auf.
  • Wie in 6 dargestellt, kann der Kollektoranschluss 22 mit dem zweiten Lastanschluss 12 des Chips 1 elektrisch verbunden sein, und der erste Lastanschluss 11 des Chips 1 kann mit dem Steueranschluss 23 des Transistors 2 elektrisch verbunden sein. Somit können sowohl der erste Lastanschluss 11 als auch der Gate-Anschluss 23 das gleiche Steuersignal „sehen“. Bei einer anderen Ausführungsform ist der erste Lastanschluss 11 des Chips 1 mit einem anderen Anschluss verbunden, der ein anderes elektrisches Potential als der Gate-Anschluss 23 aufweist, was gestatten kann, den Chip 1 unabhängig von dem Transistor 2 zu steuern. Zum Beispiel kann der Transistor 2 auf eine übliche Weise gesteuert werden, zum Beispiel durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen dem Gate-Anschluss 23 und dem Emitteranschluss 21, um beispielsweise den Transistor 2 selektiv entweder in einen leitenden Zustand oder einen sperrenden Zustand zu setzen, um beispielsweise den Schaltvorgang des Transistors 2 zu steuern.
  • 7 stellt schematisch und beispielhaft Betriebsbereiche des in 6 gezeigten Leistungshalbleitermoduls 3 dar. Wenn die Spannung VCE zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 21 zum Beispiel unterhalb des ersten Schwellenwertes Vth,1 liegt, kann der Transistor 2 normal betrieben werden, zum Beispiel ohne dass eine Durchschlagsituation auftritt. Wenn die Spannung VCE einen dritten Schwellenwert Vth,3 übersteigt, kann der Transistor 2 einen Durchschlag erleiden, zum Beispiel können Spannungen VCE oberhalb von Vth,3 Spannungen darstellen, die bedeutend höher als der Spannungsnennbereich des Transistors 2 sind, der durch den zweiten Schwellenwert Vth,2 in 7 gezeigt wird. Wenn die Spannung VCE innerhalb des durch den ersten Schwellenwert Vth,1 und den dritten Schwellenwert Vth,3 definierten Bereichs liegt, kann ein Clamping-Betrieb, zum Beispiel ein aktiver Clamping-Betrieb oder ein konditionaler aktiver Clamping-Betrieb, implementiert werden. Bei einer Ausführungsform ist der Chip 1 für einen Einsatz während eines solchen Clamping-Betriebs konfiguriert.
  • Zum Beispiel gibt der erste Schwellenwert Vth,1 die Nennchipsperrspannung des Chips 1 an. Dementsprechend können, wie oben erläutert wurde, falls die Spannung zwischen den Lastanschlüssen 12 und 11 den Wert Vth,1 übersteigt, die Durchbruchzellen 15 des Chips 1 einen leitenden Durchbruchzustand annehmen. Der zweite Schwellenwert Vth,2 kann die Sperrspannung angeben, für die der Transistor 2 eingestuft wurde. Zum Beispiel beläuft sich Vth,1 auf ca. 1500 V, und Vth,2 beläuft sich auf ca. 1600 V. Der dritte Schwellenwert Vth,3 kann die Spannung angeben, bei der der Transistor 2 einen Durchschlag erleidet. Zum Beispiel kann sich der dritte Wert Vth,3 auf ca. 1900 V belaufen.
  • Während Schaltvorgängen des Transistors 2 innerhalb von Spannungsbereichen von VCE unterhalb von Vth,1 bleibt der Chip 1 zum Beispiel vollständig inaktiv, das heißt, jede Durchbruchzelle 15 bleibt in dem nicht leitenden Zustand. Der Chip 1 kann dahingehend konfiguriert sein, während Schaltvorgängen, bei denen VCE Vth,1 übersteigt, diese Spannung VCE aufgrund der den leitenden Durchbruchzustand annehmenden Durchbruchzellen 15 zu reduzieren.
  • Somit können die Durchbruchzellen 15 des Chips 1, wenn am Kollektoranschluss 22 eine Überspannung auftritt, beispielsweise den leitenden Durchbruchzustand annehmen, was zu einem Wiedereinschaltvorgang bei dem Transistor 2 führen kann. Ein solcher Wiedereinschaltvorgang reduziert die Spannung VCE zwischen dem Kollektoranschluss 22 und dem Emitteranschluss 21 gemäß einer Ausführungsform auf sichere Werte, die zum Beispiel zwischen Vth,1 und Vth,3 liegen. Wenn der Transistor 2 in dem Ein-Zustand betrieben wird, das heißt, wenn ein Laststrom geleitet wird, bleiben die Durchbruchzellen 15 des Chips 1 inaktiv, zum Beispiel durch Beibehalten des Rückwärts-Sperrzustands.
  • Im Folgenden werden weitere beispielhafte Aspekte erläutert:
  • 8 stellt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des inaktiven Randgebiets 1-2 einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz dar. Der Chip 1 kann eine Diodenanordnung 17 umfassen, die auf der Vorderseite und außerhalb des Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist, wobei sich die Diodenanordnung 17 mit dem inaktiven Randgebiet 1-2 lateral überlappt und mit dem ersten Lastanschluss 11 und mit einem weiteren Anschluss 18 verbunden ist. Die Diodenstruktur 17 kann dahingehend konfiguriert sein, eine Spannung in beiden Richtungen, zum Beispiel bis zu einer Höhe von mindestens 20 V, zu sperren.
  • Zum Beispiel ist der weitere Anschluss 18 mit dem Emitteranschluss 21 des Leistungshalbleitertransistors 2 elektrisch verbunden. Dann kann die Diodenstruktur 17 dahingehend konfiguriert sein, den Gate-Anschluss 23 vor zu hohen Spannungen, zum Beispiel vor Spannungen oberhalb der Sperrfähigkeit der Diodenstruktur 17 von zum Beispiel 20 V, zu schützen. Bezüglich der in 6 schematisch dargestellten Ersatzschaltung kann die Diodenstruktur 17 zwischen den Anschlüssen 11 und 21 angeordnet sein. Dementsprechend kann der Chip 1 mittels der Diodenstruktur 17 den Transistor 2 mit einem erweiterten Schutz versehen; der Transistor wird nicht nur vor zu hohen Werten von VCE geschützt, sondern gemäß einer Ausführungsform auch vor zu hohen Werten von VGE (Spannung zwischen den Anschlüssen 21 und 11 in 6).
  • Das inaktive Randgebiet 1-2 kann durch einen Kanalstopperring 121 abgeschlossen sein, der mit dem zweiten Lastanschluss 12 elektrisch verbunden sein kann. Die Diodenstruktur kann eine oder mehrere Dioden 171 umfassen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Zum Beispiel können die Dioden 171 polykristalline Dioden sein. Ferner kann der erste Lastanschluss 11 mit einem Kathodenport der Diodenstruktur 17 elektrisch verbunden sein, und der weitere Anschluss 18 kann mit einem Anodenport der Diodenstruktur 17 elektrisch verbunden sein.
  • Ferner kann der Halbleiterkörper 10 eine dotierte Halbleiterstruktur 108 enthalten, die sich sowohl mit dem ersten Lastanschluss 11 als auch mit der Diodenstruktur 17 lateral überlappt. Zum Beispiel weist die dotierte Halbleiterstruktur 108 die VLD-Konfiguration (VLD: Variation of Lateral Doping - Variation lateraler Dotierung) auf.
  • 9 stellt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt einer horizontalen Projektion einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz dar, und die 10-11 stellen jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts eines Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz gemäß einigen Ausführungsformen dar.
  • Zum Beispiel enthält der Chip 1 möglicherweise nicht nur die Durchbruchzellen 15, sondern auch eine oder mehrere Hilfszellen 191 eines ersten Typs und/oder eine oder mehrere Hilfszellen 192 eines zweiten Typs. Ein Beispiel für die Hilfszelle 191 des ersten Typs ist in 10 schematisch dargestellt, und ein Beispiel für eine Hilfszelle 192 eines zweiten Typs ist in 11 schematisch dargestellt.
  • Der Chip 1 kann zum Beispiel mehrere Hilfszellen 192 des zweiten Typs enthalten. Die Hilfszellen 192 des zweiten Typs können in einem Übergangsgebiet zwischen dem aktiven Gebiet 1-1 und dem inaktiven Randgebiet 1-2 angeordnet sein, wie in 9 schematisch dargestellt ist, so dass sie zum Beispiel das aktive Gebiet 1-1 umgeben. Ferner können die Hilfszellen 192 des zweiten Typs auch in dem aktiven Gebiet 1-1 enthalten sein. Zum Beispiel kann die Anzahl von Hilfszellen 192 des zweiten Typs, die in dem aktiven Gebiet 1-1 enthalten sind, in einem Bereich von null bis zu der Anzahl von Durchbruchzellen 15 liegen. Zum Beispiel ist in dem aktiven Gebiet 1-1 die Anzahl von Durchbruchzellen 15 größer als die Anzahl von Hilfszellen 192 des zweiten Typs.
  • Darüber hinaus können gemäß einer Ausführungsform eine oder mehrere Hilfszellen 191 des ersten Typs im aktiven Gebiet 1-1 enthalten sein.
  • Die Hilfszelle 191 des ersten Typs kann eine ähnliche Konfiguration wie die Durchbruchzellen 15 aufweisen, wobei der Unterschied eine optionale größere Erstreckung des dotierten Kontaktgebiets (Bezugszahl 109' in 10) enthält. Gemäß der in 10 dargestellten Ausführungsform kann die Hilfszelle 191 des ersten Typs Folgendes enthalten: eine Isolationsstruktur 16', die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung 161' aufweist, in die sich der erste Lastanschluss 11 erstreckt, der an den Halbleiterkörper 10 angrenzt; ein Driftgebiet 100' mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps; ein Anodengebiet 151' mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist; ein erstes Barrieregebiet 152', das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer geringeren Dotierstoffkonzentration als das Anodengebiet 151' aufweist und das in Kontakt sowohl mit dem Anodengebiet 151' als auch der Isolationsstruktur 16 angeordnet ist; und ein zweites Barrieregebiet 153', das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100' aufweist und sowohl das Anodengebiet 151' als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets 152' von dem Driftgebiet 100' trennt; und ein dotiertes Kontaktgebiet 109', das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet ist, wobei das Driftgebiet 100' zwischen dem zweiten Barrieregebiet 153' und dem dotierten Kontaktgebiet 109' angeordnet ist, und wobei sich das dotierte Kontaktgebiet 109' über bis zu 50 % der Gesamtdicke des Halbleiterkörpers 10, zum Beispiel über mindestens 20 % der Gesamtdicke, in den Halbleiterkörper 10 erstreckt. Zum Beispiel kann eine solche große Erstreckung des dotierten Kontaktgebiets 109' im Wesentlichen mittels eines erweiterten Feldstoppgebiets 1092' gebildet werden, wie in 10 schematisch dargestellt ist.
  • Zum Beispiel kann die weitere Erstreckung in der Erstreckungsrichtung Z des Feldstoppgebiets 1092' der Hilfszelle 191 des ersten Typs verglichen mit der Erstreckung des Feldstoppgebiets 1092 der Durchbruchzelle 15 einen geringeren Sperrstrom ermöglichen, der, wie oben erläutert wurde, entstehen kann, wenn das Potential des ersten Lastanschlusses 11 größer als das Potential des zweiten Lastanschlusses 12 ist.
  • Nunmehr auf 11 Bezug nehmend, wird eine beispielhafte Konfiguration der Hilfszelle 192 des zweiten Typs erläutert. Jede der einen oder mehreren Hilfszellen 192 des zweiten Typs kann Folgendes umfassen: eine Isolationsstruktur 16'', die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung 161'' aufweist, in die sich der erste Lastanschluss 11 erstreckt, der an den Halbleiterkörper 10 angrenzt; ein Driftgebiet 100'' mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps; ein erstes Barrieregebiet 152", das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist; ein dotiertes Kontaktgebiet 109'', das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet ist, wobei das Driftgebiet 100 zwischen dem ersten Barrieregebiet 152'' und dem dotierten Kontaktgebiet 109'' positioniert ist.
  • Somit enthält die Hilfszelle 192 des zweiten Typs verglichen mit der Durchbruchzelle 15 weder ein Anodengebiet noch ein zweites Barrieregebiet, die Anzahl von Hilfszellen 192 des zweiten Typs. Stattdessen grenzt das erste Barrieregebiet 152'' der Hilfszelle 192 des zweiten Typs direkt an den ersten Lastanschluss 11 an, das heißt, ohne ein Anodengebiet, das eine höhere Dotierstoffkonzentration als das erste Barrieregebiet aufweist. Andererseits grenzt das erste Barrieregebiet 152'' der Hilfszelle 192 des zweiten Typs direkt an das Driftgebiet 100'' an, das heißt ohne ein zweites Barrieregebiet, wie es in der Durchbruchzelle 15 enthalten ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann jede der einen oder mehreren Hilfszellen 192 des zweiten Typs dahingehend konfiguriert sein, als Ladungsträgerableitungszelle zu arbeiten. Dies kann gemäß einer Ausführungsform einen geringeren Sperrstrom bereitstellen, was einen Lochabfluss bereitstellen kann.
  • Bei einer Ausführungsform kann ein solcher Sperrstrom auftreten, wenn der Chip 1 am ersten Lastanschluss 11 mit einem Potential betrieben wird, das höher als das Potential des zweiten Lastanschlusses 12 ist, das heißt, während des Rückwärts-Sperrzu stands.
  • Hinsichtlich aller drei Zelltypen 15, 191, 192 sei darauf hinzuweisen, dass diese gemäß einer Ausführungsform ein gemeinsames Driftgebiet (100, 100', 100''), ein gemeinsames dotiertes Kontaktgebiet (109, 109', 109'') und ein gemeinsames erstes Barrieregebiet (102, 151', 151'') teilen können.
  • Wie bereits oben erläutert wurde, kann der Chip 1 mit einem Leistungshalbleitertransistor 2 gekoppelt sein, zum Beispiel auf eine Weise, die mittels der Ersatzschaltung von 6 schematisch und beispielhaft dargestellt wird, um den Leistungshalbleitertransistor 2 vor einer Überspannung, zum Beispiel einer transienten Überspannung, die während des Schaltvorgangs des Transistors 2 auftreten kann, zu schützen. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann ein Leistungshalbleitertransistor mehrere Transistorzellen umfassen, die in einem gemeinsamen Die integriert sein können.
  • Nunmehr auf 12 Bezug nehmend, die einen Abschnitt einer horizontalen Projektion einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz schematisch und beispielhaft darstellt, kann der Transistor zum Beispiel mehrere Transistorzellen 14 umfassen, wobei jede der Transistorzellen 14 innerhalb des Chips 1 integriert sein kann.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass, obgleich die Bezugszahl 14 für die Transistorzellen 14 des Chips 1 von 12 verwendet wird, diese Transistorzellen 14 (wie auch in 13 dargestellt) in der Regel nicht die Rekombinationszone 159, wie in den 17A-19A dargestellt, umfassen. Obgleich diese Option nicht ausgeschlossen ist, sind die Rekombinationszonen 159 des Chips 1 von 12 vielmehr in den Durchbruchzellen 15 enthalten.
  • Ein Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer Transistorzelle 14 einer Ausführungsform eines Leistungshalbleitertransistors 2 wird in 13 schematisch und beispielhaft dargestellt. Dementsprechend kann jede der Transistorzellen 14 Folgendes umfassen: ein Source-Gebiet 101, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit einem Emitteranschluss 21 elektrisch verbunden ist; ein Driftgebiet 100''' mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps; ein Bodygebiet 1020, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, mit dem Emitteranschluss 21 elektrisch verbunden ist und das Source-Gebiet 101 von dem Driftgebiet 100 isoliert; eine isolierte Gate-Elektrode 131, die zum Steuern der Transistorzelle 14 konfiguriert ist; und ein dotiertes Kontaktgebiet 109''', das mit dem Kollektoranschluss 22 elektrisch verbunden ist und Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist. Das dotierte Kontaktgebiet 109''' der Transistorzelle 14 kann einen (nicht dargestellten) Emitter, der mit dem Kollektoranschluss 22 elektrisch verbunden ist, und ein (nicht dargestelltes) Feldstoppgebiet umfassen, die beispielsweise auf eine Weise konfiguriert sind, wie weiter oben unter Bezugnahme auf das Emittergebiet 1091 und das Feldstoppgebiet 1092 beispielhaft erläutert wurde.
  • Es sollte jedoch auf der Hand liegen, dass die vorliegende Patentschrift nicht auf irgendeine spezielle Art einer Konfiguration der Transistorzelle 14 beschränkt ist. Zum Beispiel weist die Transistorzelle 14 in 13 eine Graben-Gate-IGBT-Konfiguration auf, bei der die Gate-Elektrode 131 in einem Graben enthalten und mittels eines Grabenisolators 142 isoliert ist, aber bei einer anderen Ausführungsform kann die Transistorzelle 14 zum Beispiel auch eine planare Gate-Elektrode aufweisen.
  • 14 stellt schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz dar, der eine oder mehrere Transistorzellen 14 enthält, wie zum Beispiel auch in 12 dargestellt ist. Somit wird der Halbleiterkörper 10, zum Beispiel ein monolithischer Halbleiterkörper 10, von jeder der Durchbruchzellen 15 und der Transistorzellen 14 geteilt. Jede der Durchbruchzellen 15 und der Transistorzellen 14 kann innerhalb des aktiven Gebiets 1-1 des Chips 1 angeordnet sein, und ferner kann das inaktive Gebiet 1-2 verglichen mit der Nennchipsperrspannung eine höhere Durchbruchspannung aufweisen, was gestattet, sicherzustellen, dass ein möglicher Durchbruch in dem aktiven Gebiet 1-1 und nicht in dem inaktiven Gebiet 1-2 erfolgt, wie bereits oben verdeutlicht wurde.
  • Bei einer Ausführungsform können der erste Lastanschluss 11 der Durchbruchzellen 15 und der Emitteranschluss 21 zum Beispiel mittels einer gemeinsamen Vorderseitenmetallisierung elektrisch miteinander verbunden sein. Zum Beispiel kann dies gestatten, eine direkte Clamping-Funktionalität zu realisieren, zum Beispiel durch vorübergehendes Kurzschließen des Kollektoranschlusses 22 mit dem Emitteranschluss 21 mittels der Durchbruchzellen 15.
  • Darüber hinaus kann eine Rückseitenmetallisierung des Chips 1 sowohl den zweiten Lastanschluss 12 für die Durchbruchzellen 15 als auch den Kollektoranschluss 22 für die Transistorzellen 14 bilden. Das dotierte Kontaktgebiet 109, das den Emitter 1091 und das Feldstoppgebiet 1092 enthalten kann, kann auch durch jede(s) der Durchbruchzellen 15 und des dotierten Kontaktgebiets 109 geteilt werden. Mit anderen Worten können die dotierten Kontaktgebiete 109 der Durchbruchzellen 15 und die dotierten Kontaktgebiete 109''' der Transistorzellen 14 eine zusammenhängende Kontaktschicht innerhalb des Halbleiterkörpers 10 bilden. Somit können die Durchbruchzellen 15 und die Transistorzellen 14 eine gleich konfigurierte Rückseitenstruktur aufweisen. Ferner können die Driftgebiete 100 der Durchbruchzellen 15 und die Driftgebiete 100''' der Transistorzellen 14 bei einer Ausführungsform eine zusammenhängende Driftschicht innerhalb des Halbleiterkörpers 10 bilden. Auf der Vorderseite des Chips können die Anschlüsse miteinander gekoppelt sein, wie bereits in 6 schematisch dargestellt wurde. Demgemäß können der Emitteranschluss 21 und der erste Lastanschluss 11 elektrisch voneinander isoliert sein bzw. kann die Diodenstruktur 17 bei einer anderen Ausführungsform so bereitgestellt sein, wie unter Bezugnahme auf 8 erläutert wurde. Jedoch kann der erste Lastanschluss 11 mit einem Gate-Anschluss des Chips 1 elektrisch verbunden sein und kann somit mit der Gate-Elektrode 131 elektrisch verbunden sein. Bei einer anderen Ausführungsform können der erste Lastanschluss 11 des Chips 1 und der Gate-Anschluss 23, der mit der Gate-Elektrode 131 elektrisch verbunden ist, getrennt und elektrisch voneinander isoliert sein, wie oben bereits erläutert wurde. Somit soll wieder betont werden, dass der erste Lastanschluss 11, der mit den Anodengebieten 102 der Durchbruchzellen 15 elektrisch verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform nicht notwendigerweise mit dem Gate-Anschluss (vgl. Bezugszahl 23 in 6) elektrisch verbunden oder elektrisch gekoppelt sein muss, sondern stattdessen mit einem anderen elektrischen Potential elektrisch verbunden sein kann.
  • Die 15A-B stellen schematisch und beispielhaft jeweils einen Abschnitt eines integrierten Leistungshalbleitermoduls 3, das eine Ausführungsform des Leistungshalbleitertransistors 2 und eine Ausführungsform des Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz umfasst, dar. Im Hinblick auf beispielhafte Konfigurationen des Chips 1 und des Transistors 2 wird auf das Obige verwiesen.
  • Im Gegensatz zu der in den 12 und 14 schematisch dargestellten Ausführungsform sind gemäß den in den 15A-B dargestellten Ausführungsformen der Transistor 2 und der Chip 1 nicht auf einem monolithischen Die, sondern auf mindestens zwei getrennten Dies integriert. Trotzdem können der Chip 1 und der Transistor 2 innerhalb eines geteilten Gehäuses 35 gemeinsam gekapselt sein. Somit kann das integrierte Leistungshalbleitermodul 3, das den Transistor 2 und den Chip 1 umfasst, gemäß einer Ausführungsform als eine einstückige Vorrichtung bereitgestellt sein.
  • Innerhalb des geteilten Gehäuses 35 kann ein (in den 15A-B nicht sichtbarer) Rückseitenlastanschluss bereitgestellt sein, der sowohl einen zweiten Lastanschluss 12 des Chips 1 als auch den Kollektoranschluss 22 des Transistors 2 bilden kann. Somit können diese beiden Anschlüsse 12 und 22 das gleiche elektrische Potential aufweisen. Ferner kann das Gehäuse 35 einen Vorderseitenlastanschluss 31 enthalten, der mit dem Emitteranschluss 21 des Transistors 2 elektrisch verbunden sein kann. Außerdem kann ein Gehäusesteueranschluss 33 vorgesehen sein, der mit dem Gate-Anschluss 23 des Transistors 2 elektrisch verbunden ist, zum Beispiel zum Bereitstellen eines Steuersignals für den Gate-Anschluss 23.
  • Gemäß einer in 15A dargestellten Ausführungsform kann der Gehäusesteueranschluss 33 gleichzeitig mit dem ersten Lastanschluss 11 des Chips 1 elektrisch verbunden sein; das heißt, der Gate-Anschluss 23 und der erste Lastanschluss 11 können das gleiche elektrische Potential aufweisen. Somit würde der erste Lastanschluss 11 des Chips 1 auch das gleiche Gate-Signal wie der Gate-Anschluss 23 des Transistors 2 „sehen“.
  • Gemäß der in 15B schematisch dargestellten Ausführungsform sind diese beiden elektrischen Potentiale nicht kurzgeschlossen, sondern ist der Gehäusesteueranschluss 33 lediglich mit dem Gate-Anschluss 23 des Transistors 2 elektrisch verbunden, und es wird ein getrennter Gehäuseanschluss 36 bereitgestellt, der mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist, um zum Beispiel Betrieb des Chips 1, das heißt, der darin enthaltenen Durchbruchzellen 15, unabhängig von der Steuerung des Transistors 2 zu steuern.
  • Bei einer Ausführungsform des Moduls 3 kann jede Durchbruchzelle 15 des Chips 1 dahingehend konfiguriert sein, in einem nicht leitenden Zustand zu bleiben, wenn die Spannung zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 unterhalb einer Nennchipsperrspannung liegt, und einen leitenden Durchbruchzustand anzunehmen, wenn die Spannung zwischen den Lastanschlüssen 11, 12 oberhalb der Nennchipsperrspannung liegt, wobei die Nennchipsperrspannung geringer als die Nenntransistorsperrspannung sein kann. Zum Beispiel kann der Chip 1 dahingehend konfiguriert sein, während eines Schaltvorgangs des Transistors 2 eine aktive Clamping- und/oder eine konditionale aktive Clamping-Funktionalität zu implementieren.
  • Unter Bezugnahme auf alle hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Nennchipsperrspannung größer gleich 600 V, größer als 3000 V oder sogar größer als 8000 V sein.
  • 16 stellt schematisch und beispielhaft Schritte eines Verfahrens 4 zum Herstellen eines Leistungshalbleiterchips 1 mit Überspannungsschutz gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar.
  • Zum Beispiel umfasst das Verfahren 4 Folgendes: in Schritt 41 Bereitstellen eines mit einem ersten Lastanschluss 11 und einem zweiten Lastanschluss 12 des Chips 1 zu koppelnden Halbleiterkörpers 10, wobei der erste Lastanschluss 11 auf einer Vorderseite angeordnet werden soll und der zweite Lastanschluss 12 auf einer Rückseite des Chips 1 angeordnet werden soll, und wobei der Halbleiterkörper 10 sowohl ein aktives Gebiet 1-1 als auch ein das aktive Gebiet 1-1 umgebendes inaktives Randgebiet 1-2 umfasst.
  • Das Verfahren 4 kann ferner in Schritt 42 Folgendes umfassen: Bilden 42 mehrerer Durchbruchzellen 15 in dem aktiven Gebiet 1-1, wobei jede Durchbruchzelle 15 eine Isolationsstruktur 16 umfasst, die auf der Vorderseite angeordnet ist und eine Vertiefung 161 aufweist, in die sich der erste Lastanschluss 11 erstrecken soll und an den Halbleiterkörper 10 angrenzen soll.
  • Das Verfahren 4 kann ferner in Schritt 43 Folgendes umfassen: Bilden von Folgendem: einem Driftgebiet 100 mit Dotierstoffen eines ersten Leitfähigkeitstyps; einem ersten dotierten Gebiet 102, das Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden ist; einem ersten Barrieregebiet 152, das Dotierstoffe des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als das erste dotierte Gebiet 102 aufweist und in Kontakt sowohl mit dem ersten dotierten Gebiet 102 als auch der Isolationsstruktur 16 angeordnet ist; und einem zweiten Barrieregebiet 153, das Dotierstoffe des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100 aufweist und sowohl das erste dotierte Gebiet 102 als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets 152 von dem Driftgebiet 100 trennt; und einem dotierten Kontaktgebiet 109, das in Kontakt mit dem zweiten Lastanschluss 12 angeordnet ist, wobei das Driftgebiet 100 zwischen dem zweiten Barrieregebiet 153 und dem dotierten Kontaktgebiet 109 positioniert ist.
  • Es sollte auf der Hand liegen, dass Ausführungsbeispiele des Verfahrens 4 den Ausführungsbeispielen des Chips 1, die oben beschrieben wurden, entsprechen können.
  • Zum Beispiel umfasst Bilden des ersten dotierten Gebiets 102 und/oder Bilden des ersten Barrieregebiets 152 und/oder Bilden des zweiten Barrieregebiet 153 Durchführen mindestens eines Implantationsverarbeitungsschritts. Bei einer Ausführungsform werden das erste dotierte Gebiet 102, das erste Barrieregebiet 152 sowie das zweite Barrieregebiet 153 jeweils durch einen jeweiligen Implantationsverarbeitungsschritt gebildet. Ferner kann mindestens einer des einen oder der mehreren Implantationsverarbeitungsschritte mit einer Ionenenergie von mindestens 1,5 MeV durchgeführt werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren 4 Bilden einer Rekombinationszone 159, die sich in mindestens das erste dotierte Gebiet 102 erstreckt, durch Durchführung eines selbsteinstellenden Prozesses unter Verwendung der Isolationsstruktur 16 als eine Maske umfassen. Hinsichtlich dieses Aspekts wird auf die Erläuterungen verwiesen, die oben beispielsweise unter Bezugnahme auf 2B bereitgestellt werden, wo die Rekombinationszone 159 und auch der Weg zum Erzeugen einer solchen Rekombinationszone 159 beschrieben wurden.
  • Oben wurden Leistungshalbleiterschalter betreffende Ausführungsformen und entsprechende Herstellungsverfahren erläutert. Zum Beispiel basieren diese Halbleiterbauelemente auf Silizium (Si). Dementsprechend kann ein monokristallines Halbleitergebiet oder eine monokristalline Halbleiterschicht, zum Beispiel der Halbleiterkörper 10 und seine Gebiete/Zonen, zum Beispiel Gebiete usw., ein monokristallines Si-Gebiet oder eine monokristalline Si-Schicht sein. Bei anderen Ausführungsformen kann polykristallines oder amorphes Silizium eingesetzt werden.
  • Es sollte jedoch auf der Hand liegen, dass der Halbleiterkörper 10 und seine Gebiete/Zonen aus irgendeinem Halbleitermaterial hergestellt sein können, das zum Fertigen eines Halbleiterbauelements geeignet ist. Beispiele für solche Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, elementare Halbleitermaterialien, wie etwa Silizium (Si) oder Germanium (Ge), Gruppe-IV-Verbindungshalbleitermaterialien, wie etwa Siliziumcarbid (SiC) oder Silizium-Germanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre Ill-V-Halbleitermaterialien, wie etwa Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaP), Aluminiumgalliumnitrid (AIGaN), Aluminiumindiumnitrid (AllnN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AIGalnN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie etwa Kadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilberkadmiumtellurid (HgCdTe), um nur einige zu nennen. Die zuvor erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als „Homoübergangshalbleitermaterialien“ bezeichnet. Wenn zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden, wird ein Heteroübergangshalbleitermaterial gebildet. Beispiele für Heteroübergangshalbleitermaterialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Aluminiumgalliumnitrid(AIGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AIGalnN), lndiumgalliumnitrid(lnGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid(AIGalnN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Galliumnitrid(GaN), Aluminiumgalliumnitrid(AIGaN)-Galliumnitrid(GaN), lndiumgalliumnitrid(lnGaN)-Aluminiumgalliumnitrid(AIGaN), Silizium-Siliziumcarbid (SixC1-x) und Silizium-SiGe-Heteroübergangshalbleitermaterialien. Für Leistungshalbleiterschalteranwendungen werden derzeit hauptsächlich Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet.
  • Räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unter“, „unterhalb“, „niedriger“, „über“, „oberer“, und dergleichen werden der Einfachheit der Beschreibung halber dazu verwendet, die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu beschreiben. Diese Begriffe sollen zusätzlich zu Ausrichtungen, die von jenen, die in den Figuren veranschaulicht sind, verschieden sind, verschiedene Ausrichtungen des jeweiligen Bauelements mit einschließen. Ferner werden Begriffe, wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen auch zum Beschreiben verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. verwendet und sollen ebenfalls nicht einschränkend sein. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“, „umfassen“, „zeigen“ und dergleichen offene Begriffe und geben das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale an, schließen aber keine zusätzlichen Elemente oder Merkmale aus.

Claims (17)

  1. Leistungshalbleiterbauelement (1), umfassend einen Halbleiterkörper (10), der mit einem ersten Lastanschluss (11) und einem zweiten Lastanschluss (12) gekoppelt ist und Folgendes umfasst: - ein erstes dotiertes Gebiet (102) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss (11) elektrisch verbunden ist; - ein Emittergebiet (1091) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das mit dem zweiten Lastanschluss (12) elektrisch verbunden ist; - ein Driftgebiet (100) eines ersten Leitfähigkeitstyps, das zwischen dem ersten dotierten Gebiet (102) und dem Emittergebiet (1091) angeordnet ist; wobei das Driftgebiet (100) und das erste dotierte Gebiet (102) dem Leistungshalbleiterbauelement (1) Folgendes ermöglichen: - in einem leitenden Zustand betrieben zu werden, während dessen ein Laststrom zwischen den Lastanschlüssen (11, 12) entlang einer Vorwärtsrichtung geleitet wird; - in einem Vorwärts-Sperrzustand betrieben zu werden, während dessen eine zwischen den Anschlüssen (11, 12) angelegte Durchlassspannung gesperrt ist; und - in einem Rückwärts-Sperrzustand betrieben zu werden, während dessen eine zwischen den Anschlüssen (11, 12) angelegte Rückwärtsspannung gesperrt ist, und - eine mindestens im ersten dotierten Gebiet (102) angeordnete Rekombinationszone (159), wobei das erste dotierte Gebiet (102) einen ersten Teilabschnitt (1023) und einen zweiten Teilabschnitt (1022) aufweist, wobei der erste Teilabschnitt (1023) an den ersten Lastanschluss (11) angrenzt und eine höhere Dotierstoffkonzentration als der zweite Teilabschnitt (1022) aufweist, wobei der zweite Teilabschnitt (1022) an das Driftgebiet (100) angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone (159) sowohl in den ersten als auch in den zweiten Teilabschnitt (1023, 1022) erstreckt.
  2. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei - ein Übergang vom ersten dotierten Gebiet (102) zum Driftgebiet (100) eine erste Diode (51) bildet, - ein Übergang vom Emittergebiet (1091) zum Driftgebiet (100) eine zweite Diode (52) bildet, und - die erste Diode (51) und die zweite Diode (52) antiseriell miteinander verbunden sind.
  3. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 2, wobei - die erste Diode (51) eine erste Durchbruchspannung aufweist, - die zweite Diode (52) eine zweite Durchbruchspannung aufweist, - die erste Durchbruchspannung mindestens fünf Mal so groß wie die zweite Durchbruchspannung ist.
  4. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Lastanschluss (11), das erste dotierte Gebiet (102), die Rekombinationszone (159), das Driftgebiet (100), das Emittergebiet (1091) und der zweite Lastanschluss (12) einen gemeinsamen lateralen Erstreckungsbereich aufweisen.
  5. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rekombinationszone (159) dahingehend konfiguriert ist, eine Lebensdauer und/oder eine Mobilität von in der Rekombinationszone (159) vorhandenen Ladungsträgern zu reduzieren.
  6. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rekombinationszone (159) lateral strukturiert ist.
  7. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner dahingehend konfiguriert ist, einen Leitungskanal (103) im ersten dotierten Gebiet (102) zum Leiten mindestens eines Teils des Laststroms während des leitenden Zustands zu erzeugen, wobei der erzeugte Leitungskanal (103) und die Rekombinationszone (159) räumlich voneinander getrennt sind.
  8. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 7, wobei sich ein Mindestabstand zwischen der Rekombinationszone (159) und dem erzeugten Leitungskanal (103) auf mindestens 50 nm beläuft.
  9. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rekombinationszone (159) eine Kristallfehlerkonzentration aufweist, die mindestens um das 1000-Fache höher als eine Kristallfehlerkonzentration im Driftgebiet (100) ist.
  10. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das erste dotierte Gebiet (102) tiefer als die Rekombinationszone (159) in den Halbleiterkörper (10) erstreckt.
  11. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Lastanschluss (11) eine Kontaktnut (111, 161) umfasst, die an das erste dotierte Gebiet (102) angrenzt, wobei sich die Rekombinationszone (159) mit der Kontaktnut (111, 161) lateral überlappt und laterale Abmessungen innerhalb eines Bereichs von 60% bis 200% der lateralen Abmessungen der Kontaktnut (111, 161) aufweist.
  12. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mehrere Zellen (14, 15) umfasst, die jeweils zum Betrieb in dem leitenden Zustand, dem Vorwärts-Sperrzustand und dem Rückwärts-Sperrzustand konfiguriert sind.
  13. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1) ein Leistungshalbleiterschalter ist und ferner Folgendes umfasst: - ein Source-Gebiet (101) des ersten Leitfähigkeitstyps, das mit dem ersten Lastanschluss (11) elektrisch verbunden ist, wobei das erste dotierte Gebiet (102) das Source-Gebiet (101) von dem Driftgebiet (100) trennt, wobei sich die Rekombinationszone (159) in das Source-Gebiet (101) erstreckt.
  14. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein aktives Gebiet (1-1) und ein das aktive Gebiet (1-1) umgebendes inaktives Randgebiet (1-2) umfasst.
  15. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach Anspruch 14, wobei das aktive Gebiet (1-1) mehrere Zellen (14, 15) umfasst, wobei die Rekombinationszone (159) insofern lateral strukturiert ist, als: - nur jede eines Anteils der mehreren Zellen (14, 15) die Rekombinationszone (159) enthält; und/oder - die Rekombinationszone (159) innerhalb eines horizontalen Querschnitts mindestens einer der mehreren Zellen (14, 15) lateral strukturiert ist.
  16. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: - ein erstes Barrieregebiet (152) des zweiten Leitfähigkeitstyps, das eine niedrigere Dotierstoffkonzentration als das erste dotierte Gebiet (102) aufweist und in Kontakt sowohl mit dem ersten dotierten Gebiet (102) als auch einer Isolationsstruktur (16, 142) angeordnet ist; und - ein zweites Barrieregebiet (153) des ersten Leitfähigkeitstyps, das eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (100) aufweist und sowohl das erste dotierte Gebiet (102) als auch mindestens einen Teil des ersten Barrieregebiets (100) von dem Driftgebiet (100) trennt.
  17. Leistungshalbleiterbauelement (1) nach den Ansprüchen 14 und 16, wobei das erste Barrieregebiet (152) und/oder das zweite Barrieregebiet (153) eine durchgehende Halbleiterschicht mit dem aktiven Gebiet (1-1) bildet.
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