DE102019109502B4 - Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung Download PDF

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    • H01L29/1095—Body region, i.e. base region, of DMOS transistors or IGBTs

Abstract

Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1), umfassend:- eine erste Lastanschlussstruktur (11) und eine zweite Lastanschlussstruktur (12);- einen Halbleiterkörper (10), der zum Leiten eines Laststroms zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) konfiguriert ist;- mehrere Steuerzellen (14), die mit der ersten Lastanschlussstruktur (11) elektrisch verbunden sind und Folgendes umfassen:- einen vorwärts sperrenden Übergang (103), der zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) konfiguriert ist; und- eine Steuerelektrode (150), die mittels einer Steuerelektrodenisolierschicht (151) von dem vorwärts sperrenden Übergang (103) getrennt ist und zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert ist;- einen rückwärts sperrenden Übergang (104), der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) konfiguriert ist; und- mehrere Grabenfeldplatten (160), die in mehreren Feldplattengräben (16) angeordnet sind, wobei jeder Feldplattengraben (16) eine Feldplattenisolierschicht (161) umfasst, die eine der Grabenfeldplatten (160) von dem rückwärts sperrenden Übergang (104) trennt, wobei die Grabenfeldplatten (160) mit der zweiten Lastanschlussstruktur (12) elektrisch verbunden sind; wobei- die Feldplattengräben (16) eine Feldplattengrabentiefe (D) aufweisen, wobei mehrere Halbleitermesas (17) zwischen den Feldplattengräben (16) ausgebildet sind, wobei eine Breite (W) jeder der Halbleitermesas (17) kleiner als die Hälfte der Feldplattengrabentiefe (D) ist; und- der Halbleiterkörper (10) Folgendes umfasst:• ein Driftgebiet (100), das Dotierstoffe von einem ersten Leitfähigkeitstyp umfasst, und• ein erstes Feldstoppgebiet (108), das Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (100) umfasst, wobei sich das erste Feldstoppgebiet (108) zumindest teilweise zwischen den Feldplattengräben (16) erstreckt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Schrift bezieht sich auf Ausführungsformen einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung und auf Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung solch einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung.
  • HINTERGRUND
  • Viele Funktionen moderner Vorrichtungen in Kraftfahrzeug-, Verbraucher- und Industrieanwendungen, wie etwa die Umwandlung von elektrischer Energie und das Antreiben eines Elektromotors oder einer elektrischen Maschine, sind auf Leistungshalbleitervorrichtungen 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 Schaltern in Stromversorgungen und Leistungswandlern, zum Beispiel in Traktionsanwendungen, aber nicht darauf beschränkt.
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung umfasst in der Regel einen Halbleiterkörper, der dazu konfiguriert ist, einen Laststrom entlang einem Laststrompfad zwischen zwei Lastanschlüssen der Vorrichtung zu leiten. Falls die Leistungshalbleitervorrichtung eine Transistorkonfiguration hat, kann der Laststrompfad ferner mittels einer isolierten Elektrode, die oftmals als Gate-Elektrode bezeichnet wird, gesteuert werden. Bei Empfang eines entsprechenden Steuersignals von beispielsweise einer Treibereinheit kann die Steuerelektrode die Leistungshalbleitervorrichtung zum Beispiel in einen leitenden Zustand oder einen vorwärts sperrenden Zustand einstellen, wobei die Leistungshalbleitervorrichtung zum Sperren einer Vorwärtsspannung im vorwärts sperrenden Zustand konfiguriert ist.
  • Manchmal ist eine solche Leistungshalbleitervorrichtung auch zum Sperren einer Rückwärtsspannung in einem rückwärts sperrenden Zustand konfiguriert. In diesem Fall kann die Vorrichtung als eine rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung bezeichnet werden. Rückwärts sperrende IGBTs (RB-IGBTs) oder rückwärts sperrende emittergeschaltete Thyristoren (RB-EST) sind übliche Beispiele für bipolare rückwärts sperrende Leistungshalbleiterschalter. Andere Arten von rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtungen können zum Beispiel als unipolare rückwärts sperrende Leistungshalbleitertransistoren konfiguriert sein.
  • Es ist im Allgemeinen wünschenswert, die elektrische Leistung von rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtungen, zum Beispiel hinsichtlich ihrer Durchlassverluste und/oder Schaltverluste, zu verbessern. Zum Beispiel kann es somit wünschenswert sein, eine Vorrichtungsdicke bei einer gegebenen Vorwärts- oder Rückwärts-Sperrspannung, die die Vorrichtung unterstützen soll, zu reduzieren.
  • Die CN 1 06 783 989 A offenbart einen rückwärts sperrenden IGBT. Auf der Rückseite des IGBT sind Grabenelektroden und dazwischen p-dotierte Gebiete angeordnet.
  • Aus der JP 2003 - 318 399 A ist ebenfalls ein rückwärts sperrender IGBT bekannt. Der dort beschriebene IGBT weist eine Pufferschicht auf.
  • KURZFASSUNG
  • Vorgestellt werden hier die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Merkmale einiger hier beispielhaft beschriebener Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einem Beispiel umfasst eine rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung: eine erste Lastanschlussstruktur und eine zweite Lastanschlussstruktur; einen Halbleiterkörper, der zum Leiten eines Laststroms zwischen der ersten Lastanschlussstruktur und der zweiten Lastanschlussstruktur konfiguriert ist; mehrere Steuerzellen, die mit der ersten Lastanschlussstruktur elektrisch verbunden sind. Die Steuerzellen umfassen: einen vorwärts sperrenden Übergang, der zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur und der zweiten Lastanschlussstruktur in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung konfiguriert ist; und eine Steuerelektrode, die mittels einer Steuerelektrodenisolierschicht von dem vorwärts sperrenden Übergang getrennt ist und zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert ist. Die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung umfasst ferner: einen rückwärts sperrenden Übergang, der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur und der zweiten Lastanschlussstruktur in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung konfiguriert ist; und mehrere Grabenfeldplatten, die in mehreren Feldplattengräben angeordnet sind, wobei jeder Feldplattengraben eine Feldplattenisolierschicht umfasst, die eine der Grabenfeldplatten von dem rückwärts sperrenden Übergang trennt, wobei die Grabenfeldplatten mit der zweiten Lastanschlussstruktur elektrisch verbunden sind.
  • Gemäß einem anderen Beispiel wird ein Verfahren zum Bilden einer Leistungshalbleitervorrichtung dargeboten. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Halbleiterkörpers; Koppeln sowohl einer ersten Lastanschlussstruktur als auch einer zweiten Lastanschlussstruktur mit dem Halbleiterkörper; Bilden mehrerer Steuerzellen, die mit der ersten Lastanschlussstruktur elektrisch verbunden sind, wobei die Steuerzellen Folgendes umfassen: einen vorwärts sperrenden Übergang, der zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur und der zweiten Lastanschlussstruktur in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung konfiguriert ist; und eine Steuerelektrode, die mittels einer Steuerelektrodenisolierschicht von dem vorwärts sperrenden Übergang getrennt ist und zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert ist. Ferner umfasst das Verfahren: Bilden eines rückwärts sperrenden Übergangs, der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur und der zweiten Lastanschlussstruktur in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung konfiguriert ist; und Bilden mehrerer Grabenfeldplatten, die in mehreren Feldplattengräben angeordnet sind, wobei jeder Feldplattengraben eine Feldplattenisolierschicht umfasst, die eine der Grabenfeldplatten von dem rückwärts sperrenden Übergang trennt, wobei die Grabenfeldplatten mit der zweiten Lastanschlussstruktur elektrisch verbunden sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Teile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird Wert auf Veranschaulichen der Grundzüge der Erfindung gelegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen einander entsprechende Teile. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1A-B jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer bipolaren rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einigen Beispielen,
    • 1C-D jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer bipolaren rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 2A eine simulierte Sperrcharakteristik der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung von 1C;
    • 2B simulierte elektrische Feldstärken entlang einem Vertikalschnitt durch die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung von 1C in einem vorwärts sperrenden Zustand bzw. einem rückwärts sperrenden Zustand;
    • 3A-C jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer unipolaren rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einigen Beispielen;
    • 3D-E jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer unipolaren rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
    • 4 und 12- 14 jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einigen Beispielen, wobei der Abschnitt ein Randabschlussgebiet enthält;
    • 5-11 und 15 jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen, wobei der Abschnitt ein Randabschlussgebiet enthält; und
    • 16 schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines Horizontalquerschnitts einer lateralen Rückwärtsleistungshalbleitervorrichtung gemäß einem Beispiel.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen spezielle Ausführungsformen, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann, als Veranschaulichung gezeigt werden.
  • In dieser Hinsicht kann Richtungsterminologie, wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „unter“, „vor“, „hinter“, „zurück“, „führender“, „nachlaufender“, „oberhalb“ usw., mit Bezug auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren verwendet werden. Da Teile von Ausführungsformen in mehreren 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. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, können beispielsweise bei oder kombiniert mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Die vorliegende Erfindung soll solche Modifikationen und Variationen mit einschließen. 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 Schrift 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 Schrift 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 zu der zweiten lateralen Richtung Y senkrecht ist. Die Erstreckungsrichtung Z wird hierin auch als „vertikale Richtung Z“ bezeichnet.
  • In dieser Schrift 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 Schrift sollen die Begriffe „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem 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 einer Halbleitervorrichtung oder zwischen verschiedenen Anschlüssen einer oder mehrerer Vorrichtungen oder zwischen einem Anschluss oder einer Metallisierung oder einer Elektrode und einem Abschnitt oder Teil einer Halbleitervorrichtung besteht. Ferner soll im Rahmen der vorliegenden Schrift der Begriff „in Kontakt“ beschreiben, dass eine direkte physische Verbindung zwischen zwei Elementen der jeweiligen Halbleitervorrichtung besteht; zum Beispiel umfasst ein Übergang zwischen zwei in Kontakt miteinander befindlichen Elementen möglicherweise kein weiteres Zwischenelement oder dergleichen.
  • Darüber hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Schrift 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 diese Komponenten verbindende ohmsche Verbindung besteht. Jedoch können elektrisch voneinander isolierte Komponenten nichtsdestotrotz miteinander gekoppelt, zum Beispiel mechanisch gekoppelt und/oder kapazitiv gekoppelt und/oder induktiv gekoppelt, sein. Um ein Beispiel zu nennen, 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.
  • In dieser Schrift beschriebene spezielle Ausführungsformen betreffen eine Leistungshalbleitervorrichtung, die eine Streifenzellen- oder zellenförmige Konfiguration aufweist, wie zum Beispiel eine Leistungshalbleitervorrichtung, die innerhalb eines Stromrichters oder eines Netzteils verwendet werden kann, ohne darauf beschränkt zu sein. Somit kann in einer Ausführungsform solch eine Vorrichtung dazu konfiguriert sein, einen Laststrom zu führen, der einer Last zugeführt werden soll und/oder der jeweils durch eine Energiequelle bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann die Leistungshalbleitervorrichtung eine oder mehrere aktive Leistungshalbleiterzellen, wie zum Beispiel eine monolithisch integrierte Diodenzelle, zum Beispiel 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 Dioden-/Transistorzellen können in einem Leistungshalbleitermodul integriert sein. Mehrere solcher Zellen können ein Zellenfeld bilden, das mit einem aktiven Gebiet der Leistungshalbleitervorrichtung angeordnet ist.
  • Der Begriff „Leistungshalbleitervorrichtung“, wie er in dieser Schrift verwendet wird, soll eine Halbleitervorrichtung auf einem einzelnen Chip mit Fähigkeiten zum Sperren einer hohen Spannung und/oder Führen eines hohen Stroms beschreiben. Mit anderen Worten ist eine solche Leistungshalbleitervorrichtung 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 darüber, zum Beispiel bis zu mindestens 500 V oder sogar noch mehr, zum Beispiel bis zu mindestens 6 kV oder mehr, bestimmt.
  • Zum Beispiel kann die nachfolgend beschriebene Leistungshalbleitervorrichtung eine Halbleitervorrichtung sein, die eine Streifenzellenkonfiguration oder eine zellenförmige (säulenförmige/Nadel-)Zellenkonfiguration aufweist, und kann derart konfiguriert sein, dass sie als eine Leistungskomponente in einer Anwendung mit einer niedrigen, mittleren und/oder hohen Spannung eingesetzt wird.
  • Zum Beispiel richtet sich der Begriff „Leistungshalbleitervorrichtung“, wie er in dieser Schrift verwendet wird, nicht auf logische Halbleitervorrichtungen, die zum Beispiel zum Speichern von Daten, Berechnen von Daten und/oder für andere Arten von halbleiterbasierter Datenverarbeitung verwendet werden.
  • Die 1A-D veranschaulichen jeweils schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1. Die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1 umfasst einen Halbleiterkörper 10 sowie eine erste Lastanschlussstruktur 11 und eine zweite Lastanschlussstruktur 12, die mit einer Vorderseite 10-1 bzw. einer Rückseite 10-2 des Halbleiterkörpers 10 gekoppelt sind. Der Halbleiterkörper 10 ist zum Leiten eines Laststroms zwischen der ersten Lastanschlussstruktur 11 und der zweiten Lastanschlussstruktur 12 konfiguriert. Zum Beispiel umfasst die erste Lastanschlussstruktur 11 eine Vorderseitenmetallisierung, die zum Beispiel mit einem Emitter-Anschluss oder einem Source-Anschluss der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 gekoppelt sein kann. Dementsprechend kann die zweite Lastanschlussstruktur 12 eine Rückseitenmetallisierung umfassen, die zum Beispiel mit einem Kollektoranschluss oder einem Drain-Anschluss der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 gekoppelt ist.
  • Gemäß den 1A-D weist die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1 eine IGBT-Konfiguration auf, so dass die erste Lastanschlussstruktur 11 auch gut als eine Emitter-Lastanschlussstruktur bezeichnet werden kann, während die zweite Lastanschlussstruktur 12 als eine Kollektor-Anschlussstruktur bezeichnet werden kann. Mit anderen Worten ist oder umfasst die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1 in dem Beispiel von 1A einen rückwärts sperrenden IGBT (RB-IGBT). Bei anderen Ausführungsformen kann die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1 eine andere Art von bipolarer rückwärts sperrender Leistungshalbleitervorrichtung 1, wie zum Beispiel ein rückwärts sperrender emittergeschalteter Thyristor (RB-EST), sein oder einen solchen umfassen. Bei noch anderen Ausführungsformen kann die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1 stattdessen als eine unipolare rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1, wie zum Beispiel ein unipolarer rückwärts sperrender Transistor, wie zum Beispiel ein rückwärts sperrender MOSFET (RB-MOSFET), konfiguriert sein. Dies wird weiter unten unter Bezugnahme auf die 3A-3E ausführlicher erläutert.
  • Gemäß den 1A-D weist die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1 ferner eine vertikale Konfiguration auf. Das heißt, der Laststrom fließt zwischen der Vorderseite 10-1 und der Rückseite 10-2 des Halbleiterkörpers 10. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf vertikale rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtungen 1 beschränkt ist. Zum Beispiel wird weiter unten unter Bezugnahme auf 16 eine laterale rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung 1, bei der der Laststrom im Wesentlichen entlang einer ersten lateralen Richtung X fließt, erläutert.
  • Wie grundsätzlich in der Technik vertikaler IGBTs wohlbekannt ist, umfasst die Leistungshalbleitervorrichtung 1 von 1A mehrere Steuerzellen 14, die an der Vorderseite 10-1 angeordnet sind und mit der ersten Lastanschlussstruktur 11 elektrisch verbunden sind. Die Steuerzellen 14 umfassen einen vorwärts sperrenden Übergang 103 in Form eines pn-Übergangs, der an einem Übergang zwischen einem Driftgebiet 100 des Halbleiterkörpers 10 und einem Körpergebiet 101 des Halbleiterkörpers 10 gebildet ist. Das Driftgebiet 100 weist Dotierstoffe von einem ersten Leitfähigkeitstyp (zum Beispiel n-Typ) auf, während das Körpergebiet 101 Dotierstoffe von einem zweiten Leitfähigkeitstyp (zum Beispiel p-Typ), komplementär zu dem ersten Leitfähigkeitstyp, aufweist. Der vorwärts sperrende Übergang 103 ist zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur 11 und der zweiten Lastanschlussstruktur 12 in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 konfiguriert.
  • Jede Steuerzelle 14 umfasst eine Steuerelektrode 150, die sich in einem vertikalen Steuergraben 15 erstreckt. Der Steuergraben 15 umfasst eine Steuerelektrodenisolierschicht 151, die die Steuerelektrode 150 gegen die den Graben 15 umgebenden Teile des Halbleiterkörpers 10 isoliert. Die Steuerelektrode 150 ist mittels der Steuerelektrodenisolierschicht 151 von dem vorwärts sperrenden Übergang 103 getrennt. In anderen Worten ist die Steuerelektrodenisolierschicht 151 zwischen der Steuerelektrode 150 und dem den vorwärts sperrenden Übergang 103 bildenden pn-Übergang angeordnet. Zum Beispiel kann die Steuerelektrodenisolierschicht 151 sowohl an der Steuerelektrode 150 als auch am pn-Übergang 103 angrenzen. Zum Beispiel kann die Steuerelektrodenisolierschicht 151 ein Siliziumdioxid, wie zum Beispiel ein thermisch aufgewachsenes Siliziumdioxid, umfassen. Der Steuergraben 15 grenzt an ein Sourcegebiet 102 vom ersten Leitfähigkeitstyp, das Körpergebiet 101 und einen Teil des Driftgebiets 100 an. Jede Steuerelektrode 150 kann mittels eines Isolationsblocks 154 (zum Beispiel in Form eines Oxidblocks) gegen die erste Lastanschlussstruktur 11 isoliert sein. Die Steuerelektrode 150 kann mit einem Steueranschluss, wie zum Beispiel einem Gate-Anschluss der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 (nicht veranschaulicht), elektrisch verbunden sein. Zum Beispiel können die Steuerelektroden 150 für den Empfang eines externen Steuersignals, wie zum Beispiel eines Gate-Spannungssignals, über den externen Steueranschluss konfiguriert sein. Die Steuerelektrode 150 ist zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert. Zum Beispiel kann das Schalten in Abhängigkeit von dem der Steuerelektrode 150 zugeführten Steuersignal erfolgen. Die Steuerelektroden 150 können zum Erzeugen eines Leitungskanals in dem Körpergebiet 101 neben dem Graben 15 konfiguriert sein. Zum Beispiel kann somit zwischen dem Sourcegebiet 102, das mit der ersten Lastanschlussstruktur 11 elektrisch verbunden ist, und dem Driftgebiet 100 in dem vorwärts leitenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 ein elektrischer Pfad geöffnet werden.
  • An der Rückseite 10-2 enthält der Halbleiterkörper 10 ein Rückseitenemittergebiet 107 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, wie in der Technik von IGBTs grundsätzlich wohlbekannt ist. Das Rückseitenemittergebiet 107 ist mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 auf der einen Seite und mit dem Driftgebiet 100 auf der anderen Seite elektrisch verbunden. An einem Übergang zwischen dem Rückseitenemittergebiet 107 und dem Driftgebiet 100 ist ein pn-Übergang gebildet. Der pn-Übergang bildet einen rückwärts sperrenden Übergang 104, der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur 11 und der zweiten Lastanschlussstruktur 12 in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 konfiguriert ist.
  • Ferner sind mehrere Feldplattengräben 16 an der Rückseite 10-2 vorgesehen. Die Feldplattengräben 16 erstrecken sich von der Rückseite 10-2 parallel zu der Vertikalrichtung Z in den Halbleiterkörper 10. Jeder Feldplattengraben 16 umfasst eine Grabenfeldplatte 160 und eine Feldplattenisolierschicht 161, die die Grabenfeldplatte 160 gegen die umgebenden Teile des Halbleiterkörpers 10, wie zum Beispiel gegen das Rückseitenemittergebiet 107 und das Driftgebiet 100, isoliert. Die jeweilige Grabenfeldplatte 160 ist mittels der Feldplattenisolierschicht 161 von dem rückwärts sperrenden Übergang 104 getrennt. Mit anderen Worten ist die Feldplattenisolierschicht 161 zwischen der Grabenfeldplatte 160 und dem den rückwärts sperrenden Übergang 104 bildenden pn-Übergang angeordnet. Zum Beispiel kann die Feldplattenisolierschicht 161 sowohl an der Grabenfeldplatte 160 als auch dem pn-Übergang 104 angrenzen. Zum Beispiel kann die Feldplattenisolierschicht 161 sowohl ein Siliziumdioxid als auch ein Siliciumnitrid umfassen. Bei einer Ausführungsform umfasst die Feldplattenisolierschicht 161 eine gestapelte Schicht aus zum Beispiel Siliciumoxid und Siliciumnitrid. Die Grabenfeldplatten 160 umfassen ein leitendes Material, wie zum Beispiel Polysilicium oder ein Metall. Ferner sind die Grabenfeldplatten 160 mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 elektrisch verbunden. Mit anderen Worten besteht zwischen den Grabenfeldplatten 160 und der zweiten Lastanschlussstruktur 12, die in der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 selbst vorgesehen sind, eine niederohmige elektrische Verbindung (im Gegensatz zu zum Beispiel einer elektrischen Verbindung, die außerhalb der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1, wie zum Beispiel mittels externer Leitungen oder Schaltungsanordnungen, die mit Anschlüssen der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 gekoppelt sein können, hergestellt ist).
  • Die Grabenfeldplatten 160 können dazu vorgesehen sein, ein Durchgreifen eines elektrischen Felds zu dem Rückseitenemittergebiet 107 im vorwärts sperrenden Zustand zu verhindern. Zum Beispiel sind zwischen den Feldplattengräben 16 mehrere Halbleitermesas 17 ausgebildet, wobei eine Breite W jeder der Halbleitermesas 17 ausreichend klein ist, um solch ein Durchgreifen zu verhindern (die Breite W ist in 1A nicht gezeigt, es wird auf 1D verwiesen). Bei einer Ausführungsform können die Feldplattengräben 16 zum Beispiel eine Feldplattengrabentiefe D aufweisen, wobei die Breite jeder der Halbleitermesas 17 kleiner als die Hälfte der Feldplattengrabentiefe D ist, siehe 1D. Zum Beispiel kann die Breite W kleiner als 2 µm, wie zum Beispiel kleiner gleich 1 µm, sein.
  • Die Funktion der Grabenfeldplatten 160 kann durch ein erstes Feldstoppgebiet 108 unterstützt werden, das sich zumindest teilweise zwischen den Feldplattengräben 16 erstreckt. Solch ein erstes Feldstoppgebiet 108 ist in 1A nicht veranschaulicht, es wird stattdessen auf 1C verwiesen. Das erste Feldstoppgebiet 108 umfasst Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100. Das erste Feldstoppgebiet 108 kann zwischen dem Driftgebiet 100 und dem Rückseitenemittergebiet 108 angeordnet sein. Wie grundsätzlich in der Technik bekannt ist, kann solch ein erstes Feldstoppgebiet 108 die Funktion eines Puffers für das elektrische Feld im vorwärts sperrenden Zustand erfüllen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1C kann ein Durchgreifen des elektrischen Felds im vorwärts leitenden Zustand durch die kombinierten Wirkungen der Abschirmung durch die Grabenfeldplatten 160 und die Pufferwirkung des ersten Feldstoppgebiets 108 verhindert werden.
  • Zum Beispiel kann eine Dotierstoffkonzentration des ersten Feldstoppgebiets 108 aufgrund des Vorhandenseins der Grabenfeldplatten 160 im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau relativ niedrig gewählt werden, wobei das erste Feldstoppgebiet 108 allein das Durchgreifen verhindern müsste. Bei einer Ausführungsform übertrifft zum Beispiel ein Maximum einer Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets 108 die Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp des Driftgebiets 100 um einen Faktor von mindestens 10, wie zum Beispiel um einen Faktor von mindestens 100. Mit anderen Worten kann die Dotierstoffkonzentration in dem ersten Feldstoppgebiet 108 um mindestens eine oder sogar mindestens zwei Größenordnungen höher als die Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets 100 sein. Zum Beispiel kann die Dotierung des Driftgebiets 100 im Wesentlichen eine Basisdotierung eines Halbleitersubstrats, zum Beispiel des Halbleiterkörpers 10, sein.
  • Bei einer Ausführungsform kann ein Maximum einer Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets 108 ferner geringer als 5E17 cm-3, wie zum Beispiel geringer als 2E17 cm-3, sein.
  • Es ist auch möglich, dass das erste Feldstoppgebiet 108 und/oder ein Maximum der Dotierstoffkonzentration vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets 108 in einem Abstand von dem rückwärts sperrenden Übergang 104 angeordnet ist. Dies ist in 1D, die eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts eines vertikalen Querschnitts einer rückwärts sperrenden Halbleitervorrichtung 1 gemäß einigen Ausführungsformen zeigt, beispielhaft veranschaulicht, wobei sich der gezeigte Abschnitt nahe der Rückseite 10-2 befindet. Bei einer Ausführungsform kann sich das Maximum der Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets 108 zum Beispiel in einem Abstand von mindestens 0,2 µm, wie zum Beispiel mindestens 0,5 µm, von dem rückwärts sperrenden Übergang 104 befinden.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 1D kann bei einer Ausführungsform eine Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp des ersten Feldstoppgebiets 108 in einem distalen Teil der Mesas 17 kleiner als das Fünffache der Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets 100 sein, wobei sich der distale Teil der Mesa 17 von einer ersten Tiefe D1 entsprechend einem distalen Ende der Grabenfeldplatten 160 zu einer zweiten Tiefe D2, die um die Hälfte der Mesabreite W, das heißt um W/2, kleiner als die erste Tiefe D1 ist, erstreckt. Mit anderen Worten befindet sich die zweite Tiefe D2 um W/2 näher an einem proximalen Ende der Grabenfeldplatten 160 als an dem distalen Ende der Grabenfeldplatten 160. Bei einer anderen Variante kann das Feldstoppgebiet in der Mesa 17 nur außerhalb des distalen Teils der Mesa 17, das heißt unter dem distalen Teil in 1D (nicht veranschaulicht), liegen.
  • Gemäß dem in 1C gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch ein zweites Feldstoppgebiet 109 an der Vorderseite 10-1 vorgesehen sein. Analog zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf das erste Feldstoppgebiet 108 Erläuterten kann auch das zweite Feldstoppgebiet 109 Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet 100 umfassen. Ferner befindet sich das zweite Feldstoppgebiet 109 zwischen dem Driftgebiet 100 und dem Körpergebiet 101. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der vorwärts sperrende Übergang 103 tatsächlich an einem Übergang zwischen dem Körpergebiet 101 und dem zweiten Feldstoppgebiet 109 gebildet. Das zweite Feldstoppgebiet 109 erstreckt sich zumindest teilweise innerhalb der Steuerzellen 15, wie zum Beispiel zwischen den Steuergräben 15. Im rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 kann das zweite Feldstoppgebiet 109 zum Beispiel ein Durchgreifen des elektrischen Felds zum Körpergebiet 101 verhindern. Analog zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf die Mesas 17 an der Rückseite 10-2 Erläuterten können die Halbleitermesagebiete zum Beispiel zwischen benachbarten Steuergräben 15 auch ausreichend schmal konzipiert sein, um ein Durchgreifen im rückwärts sperrenden Zustand zu verhindern.
  • Bei einer Ausführung gemäß den vorstehend unter Bezugnahme auf die 1A bis 1D erläuterten Beispielen kann zum Beispiel ein RB-IGBT, der ein wesentliches symmetrisches Sperrvermögen aufweist, realisiert sein. Mit anderen Worten kann eine maximale vorwärts sperrende Spannung solch eines RB-IGBTs gleich einer maximalen rückwärts sperrenden Spannung solch eines RB-IGBTs oder ähnlich dieser sein.
  • Zur weiteren Veranschaulichung dieses Punkts zeigt 2A beispielhaft eine simulierte Sperrcharakteristik eines RB-IGBTs 1 gemäß 1C. Für die Simulation wurde eine Vorrichtungsdicke von 100 µm angenommen. Die Vorwärtssperrcharakteristiken (durchgezogene Kurve) und die Rückwärtssperrcharakteristiken (gestrichelte Kurve) zeigen, dass die Vorrichtung in der Lage ist, mehr als 1400 V in allen Richtungen zu sperren. Entsprechende Verteilungen des elektrischen Felds bei Durchbruch für beide Richtungen werden in 2B gezeigt, wobei die durchgezogene Kurve wieder dem vorwärts sperrenden Zustand entspricht und die gestrichelte Kurve dem rückwärts sperrenden Zustand entspricht. In 2B ist das elektrische Feld in Abhängigkeit von der Tiefe, wie von der Vorderseite der Vorrichtung 1 (in Mikrometern) gemessen, gezeigt. Aufgrund der Abschirmung durch die Grabenfeldplatten 160 ist das elektrische Feld innerhalb des ersten Feldstoppgebiets 108 im rückwärts sperrenden Zustand nicht signifikant reduziert, wie es bei Fehlen der Grabenfeldplatten 160 oder in dem Fall, dass sich das erste Feldstoppgebiet 108 tiefer in den Halbleiterkörper als die Feldgräben 16 erstrecken würde, der Fall sein würde. Infolgedessen kann eine relativ hohe Sperrspannung auch in Rückwärtsrichtung erreicht werden.
  • Bis zu diesem Punkt ist die Erfindung unter Bezugnahme auf bipolare rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtungen 1, wie zum Beispiel die in den 1A bis 1D veranschaulichten RB-IGBTs, beispielhaft erläutert worden. Als eine alternative Variante veranschaulichen die 3A bis 3E Beispiele einer unipolaren rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1, wie zum Beispiel eines RB-MOSFETs, wobei der rückwärts sperrende Übergang 104 statt eines pn-Übergangs durch einen Schottky-Übergang gebildet wird. Zum Beispiel kann der rückwärts sperrende Übergang 104 durch einen Halbleiter-Metall-Übergang zwischen dem Driftgebiet 102 und einer Rückseitenmetallisierung, die einen Teil der zweiten Lastanschlussstruktur 12 bildet, gebildet sein. In diesem Fall kann das Rückwärtssperrvermögen der Vorrichtung 1 aufgrund der Schottky-Barriere an dem Halbleiter-Metall-Übergang 104 zusammen mit einem Schwellenwert in der Vorwärtscharakteristik daherkommen.
  • Abgesehen von dem unterschiedlichen rückwärts sperrenden Übergang 104 und dem unipolaren Betrieb der Vorrichtungen 1 zeigen die in den 3A bis 3E veranschaulichten Beispiele viele strukturelle Ähnlichkeiten mit denen der 1A bis 1D. Das oben Angeführte, zum Beispiel hinsichtlich der Steuerzellen 14 an der Vorderseite 10-1 und der Grabenfeldplatten 160 an der Rückseite 10-2, kann somit gleichermaßen für die Beispiele der 3A bis 3D gelten. Es wird auch hinsichtlich des ersten und zweiten Feldstoppgebiets 108, 109 (vgl. 3B, 3D und 3E) auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Es sei zum Beispiel darauf hingewiesen, dass das erste Feldstoppgebiet 108 und/oder ein Maximum der Dotierstoffkonzentration innerhalb des ersten Feldstoppgebiets 180 in einem Abstand von dem durch einen Schottky-Kontakt gebildeten rückwärts sperrenden Übergang angeordnet sein kann, wie beispielhaft in 3E veranschaulicht ist. Alternativ kann die erste Feldstoppschicht 108 direkt an den Schottky-Kontakt 104 angrenzen, wie in 3D gezeigt ist.
  • Ferner kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3E der unipolare rückwärts sperrende Transistor 1 eine Superjunction-Konfiguration haben, die als solche in der Technik bekannt ist. Das heißt, dass das Driftgebiet 100 mehrere erste Spalten 1001 vom ersten Leitfähigkeitstyp und mehrere zweite Spalten 1002 vom zweiten Leitfähigkeitstyp umfassen kann, wobei die ersten Spalten 1001 und die zweiten Spalten abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Wie in jeder der 3C und 3E veranschaulicht ist, erstrecken sich die Spalten 1001, 1002 entlang der Vertikalrichtung Z zwischen den Steuerzellen 14 an der Vorderseite 10-1 und den Feldplattengräben 16 an der Rückseite 10-2. Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die zweiten Spalten 1002 nicht mit dem Körpergebiet 101 verbunden sind. Wie in 3C veranschaulicht ist, kann das zweite Feldstoppgebiet 109 das Körpergebiet 101 von den zweiten Spalten 1002 solch einer Superjunction-Struktur trennen.
  • Jede der 4 bis 15 veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1, wobei jeder der gezeigten Abschnitte einen Teil eines aktiven Gebiets 18 und eines Randabschlussgebiets 19 der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 enthält.
  • Zum Beispiel muss eine Randabschlussstruktur, die im Randabschlussgebiet 19 der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 angeordnet ist, mit dem Rückwärtssperrvermögen kompatibel sein. In den 4 bis 15 werden mehrere Beispiele dafür gezeigt, wie dies erreicht werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Potenzial der zweiten Lastanschlussstruktur 12 (zum Beispiel das Kollektorpotenzial) beispielsweise mittels eines Verbindungsgebiets 106 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, das sich, wie veranschaulicht ist, entlang einem lateralen Chiprand 10-4 erstreckt, zu der Vorderseite 10-1 befördert werden. Dies ist grundsätzlich in der Technik von rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtungen bekannt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die Feldplattengräben 16 sowie die schmalen Mesas 17 an der Rückseite 10-2 auch mindestens in einem Teil des Randabschlussgebiets 19, wie zum Beispiel mindestens in einem inneren Teil des Randabschlussgebiets 19, vorhanden sind. Bei einer Ausführungsform können die Feldplattengräben 160 in einem wesentlichen Teil des Randabschlussgebiets 19 vorhanden sein, der sich zum Beispiel über eine Strecke erstreckt, die in einem vertikalen Querschnitt gleich einer oder größer als eine Vorrichtungsdicke ist, wie in 4 gezeigt ist.
  • Andererseits können die entsprechenden Strukturen auch an der Vorderseite 10-1 innerhalb mindestens eines Teils des Randabschlussgebiets 19 vorhanden sein. In 4 ist eine erste beispielhafte Struktur gezeigt. Wie veranschaulicht ist, sind mehrere Gräben 13 mit Elektroden 130 und Grabenisolierschichten 131 sowie dazwischen angeordnete Halbleitergebiete 134 vom zweiten Leitfähigkeitstyp an der Vorderseite 10-1 vorgesehen. Diese Strukturen können den Steuergräben 15, den Steuerelektroden 150, den Steuerelektrodenisolierschichten 151 bzw. dem Körpergebiet 101 ähnlich sein oder strukturell damit identisch sein. Zum Beispiel können die Gräben 13 innerhalb des Randabschlussgebiets 19 zusammen mit den Steuergräben 15 innerhalb des aktiven Gebiets 18 in einem oder mehreren gemeinsamen Verarbeitungsschritten gemeinsam entstehen.
  • Wie in 5 schematisch veranschaulicht ist, kann zum Beispiel eine äußerste Elektrode 131 über das Verbindungsgebiet 106 mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 elektrisch verbunden sein. Wie auch in 5 veranschaulicht ist, können andere Elektroden 131 mit einem jeweiligen benachbarten Gebiet 134 vom zweiten Leitfähigkeitstyp verbunden sein. Diese Gebiete 134 sind durch die Gräben 13 voneinander getrennt und können während eines Vorwärtssperrens und während eines Rückwärtssperrens verschiedene Potenziale annehmen.
  • Falls ein erstes und/oder zweites Feldstoppgebiet 108, 109 innerhalb des aktiven Zellenfelds 18 vorgesehen ist, kann es ferner auch in mindestens einem Teil des Randabschlusses 19 vorgesehen sein, wie in 5 beispielhaft veranschaulicht ist.
  • 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Randabschlusses eines RB-IGBTs 1, wobei ein beispielhafter Verlauf eines Raumladungsgebiets während des Vorwärtssperrens als eine gepunktete Linie gezeigt ist. Wie veranschaulicht ist, kann ein Halbleitergebiet 100-5 vom ersten Leitfähigkeitstyp, das eine Verlängerung des Driftgebiets 100 in das Randabschlussgebiet 19 sein kann, die Vorderseite 10-1 an einer oder mehreren Stellen im Randabschlussgebiet 19 berühren. Ferner sei darauf hingewiesen, dass sich das zweite Feldstoppgebiet 109 nicht durchgehend zu dem Verbindungsgebiet 106 am Chiprand 10-4 erstrecken muss.
  • Bei Ausführungsformen gemäß jeder der 7-9 kann der Chiprand 10-4 eine Neigung, die zum Beispiel einer (111)-äquivalenten Kristallebene, wie sie bei Verwendung eines anisotropen Nassätzens mit KOH oder TMAH erzeugt werden kann, entspricht, aufweisen. Ferner kann ein Feldstoppgebiet 1060 auch neben dem Verbindungsgebiet 106 am Chiprand vorgesehen sein, siehe 8. In den 7 und 8 zeigen die gepunkteten Linien einen beispielhaften Verlauf des Raumladungsgebiets im vorwärts sperrenden Zustand.
  • 10 zeigt beispielhaft die Verlängerung der Grenzen des Raumladungsgebiets während des Rückwärtssperrens.
  • In den 5-10 sind die elektrischen Verbindungen zwischen den getrennten Gebieten 134 vom zweiten Leitfähigkeitstyp und den Grabenelektroden 130 nur schematisch gezeigt. In 11 ist beispielhaft eine konkrete Realisierung gezeigt, wobei die Verbindung mittels mehrerer Metallfeldplatten 191 erreicht werden kann. Natürlich gibt es viele Möglichkeiten, wie diese Verbindungen im Einzelnen ausgeführt werden können. Zusätzlich zu der Herstellung der Verbindungen kann die Feldplattenstruktur 191 die elektrische Feldstärke im vorwärts sperrenden Zustand und/oder im rückwärts sperrenden Zustand noch weiter reduzieren.
  • Bei einem Beispiel gemäß 12 sind nicht alle der Gräben 13 im Randabschlussgebiet 19 mit einem leitenden Material gefüllt. Stattdessen ist es auch möglich, in einigen der Gräben 13 eine Isolationsfüllung 192, wie zum Beispiel ein Oxid, zu verwenden, wie in 12 schematisch veranschaulicht ist.
  • Wie in 13 beispielhaft gezeigt ist, können eine Dicke der Grabenisolierschichten 131, die die leitende Füllung 130 aller oder einiger der Gräben im Randabschlussgebiet 19 trennen, größer als eine Dicke der Steuerelektrodenisolierschichten 151 und/oder als eine Dicke der Feldplattenisolierschichten 161 sein.
  • 14 veranschaulicht schematisch und beispielhaft einen Randabschluss 19 für einen RB-MOSFET 1. Bei einer unipolaren Vorrichtung mit einem Schottky-Kontakt 104 an der Drain-Anschlussstruktur 12 kann sich der Schottky-Kontakt 104 zum Beispiel zu dem Rand 10-4 des Chips (nicht gezeigt) erstrecken. Alternativ kann die Drain-Anschlussstruktur 12 zumindest in einem Teil des Randabschlussgebiets 19 zum Beispiel ein Gebiet 107 vom zweiten Leitfähigkeitstyp (wie zum Beispiel ein p-Gebiet 107) kontaktieren.
  • Die oben erläuterten Randabschlussstrukturen können auch für einen bidirektionalen Schalter 1 verwendet werden, wie in 15 beispielhaft gezeigt ist. In diesem Fall können Source-Gebiete 1020 in einem Zellenfeld an der Rückseite 10-2 vorgesehen sein. Gate-Elektroden 1600, die in Gate-Gräben 16-1 angeordnet sind und durch eine Gate-Isolierstruktur 1610 gegen Körpergebiete 1070 isoliert sind, können statt mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 mit einem zweiten Gate-Anschluss (nicht veranschaulicht) verbunden sein. Ferner sind die Gate-Elektroden 1600 mittels Isolationsblöcken 1640 (zum Beispiel in Form von Oxidblöcken) gegen die zweite Lastanschlussstruktur 12 isoliert. Die Grabenfeldplatten 160 im Randabschlussgebiet 19 können jedoch, wie oben beschrieben wurde, mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 verbunden sein. Darüber hinaus können auch Grabenfeldplatten 160 vorgesehen sein, die (statt mit dem zweiten Gate-Anschluss) mit der zweiten Lastanschlussstruktur im Zellenfeld, das heißt im aktiven Gebiet 18, verbunden sind.
  • 16 veranschaulicht beispielhaft und schematisch eine laterale Ausführung eines rückwärts sperrenden RB-IGBT 1. Es sei darauf hingewiesen, dass im Gegensatz zu den anderen Figuren ein horizontaler Querschnitt der Halbleitervorrichtung 1 gezeigt wird. Bei diesem Beispiel fließt der Laststrom in erster Linie entlang der zweiten lateralen Richtung Y. Abgesehen von diesem Unterschied ist die Struktur ähnlich wie die vorstehend unter Bezugnahme auf 1A erläuterte.
  • Ein Verfahren zur Verarbeitung einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 umfasst:
    • - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers 10;
    • - Koppeln sowohl einer ersten Lastanschlussstruktur 11 als auch einer zweiten Lastanschlussstruktur 12 mit dem Halbleiterkörper 10;
    • - Bilden mehrerer Steuerzellen 14, die mit der ersten Lastanschlussstruktur 11 elektrisch verbunden sind und Folgendes umfassen:
      • - einen vorwärts sperrenden Übergang 103, der zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur 11 und der zweiten Lastanschlussstruktur 12 in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 konfiguriert ist; und
      • - eine Steuerelektrode 150, die mittels einer Steuerelektrodenisolierschicht 151 von dem vorwärts sperrenden Übergang 103 getrennt ist und zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert ist;
    • - Bilden eines rückwärts sperrenden Übergangs 104, der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur 11 und der zweiten Lastanschlussstruktur 12 in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung 1 konfiguriert ist; und
    • - Bilden mehrerer Grabenfeldplatten 160, die in mehreren Feldplattengräben 16 angeordnet sind, wobei jeder Feldplattengraben 16 eine Feldplattenisolierschicht 161 umfasst, die eine der Grabenfeldplatten 160 von dem rückwärts sperrenden Übergang 104 trennt, wobei die Grabenfeldplatten 160 mit der zweiten Lastanschlussstruktur 12 elektrisch verbunden sind.
  • Die Verfahrensschritte müssen nicht in der Reihenfolge durchgeführt werden, in der sie oben erwähnt werden. Zum Beispiel liegt für Fachleute auf der Hand, dass die Lastanschlussstrukturen 11, 12 nach Bilden beispielsweise der Steuerzellen 14, des rückwärts sperrenden Übergangs 104 und/oder der Feldplattengräben 16, die die Grabenfeldplatten 160 enthalten, angeordnet werden können.
  • Oben beschriebenes Beispiel des Verfahrens zum Bilden einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung entspricht den Beispielen eines rückwärts sperrenden Leistungshalbleiters, wie oben beschrieben, und umgekehrt. Somit können zum Beispiel die Merkmale der Beispiele der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung, die oben beschrieben werden, durch Durchführen entsprechender Verarbeitungsverfahrensschritte erreicht werden.
  • Oben wurden Ausführungsformen, die sich auf rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtungen und entsprechende Verarbeitungsverfahren beziehen, erläutert. Zum Beispiel basieren diese Halbleitervorrichtungen auf Silicium (Si). Demgemäß kann ein(e) monokristalline(s) Halbleitergebiet oder -schicht, zum Beispiel der Halbleiterkörper 10 und seine Gebiete/Zonen, zum Beispiel die Gebiete 100, 101, 102, 107, 108, 109 usw. ein(e) monokristalline(s) Si-Gebiet oder Si-Schicht sein. Bei anderen Ausführungsformen kann polykristallines oder amorphes Silicium eingesetzt werden.
  • Es sollte jedoch auf der Hand liegen, dass der Halbleiterkörper 10 und seine Gebiete/Zonen aus einem beliebigen Halbleitermaterial hergestellt sein können, das zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung geeignet ist. Beispiele für solche Materialien umfassen elementare Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Silicium (Si) oder Germanium (Ge), Gruppe IV-Verbindungshalbleitermaterialien, wie zum Beispiel Siliciumkarbid (SiC) oder Siliciumgermanium (SiGe), binäre, ternäre oder quaternäre III-V-Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumgalliumphosphid (InGaPa), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Aluminiumindiumnitrid (AlInN), Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) oder Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP), und binäre oder ternäre II-VI-Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Cadmiumtellurid (CdTe) und Quecksilbercadmiumtellurid (HgCdTe), um nur wenige zu nennen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die vorstehend erwähnten Halbleitermaterialien werden auch als „Homoübergangshalbleitermaterialien“ bezeichnet. Beim Kombinieren zweier verschiedener Halbleitermaterialien wird ein Heteroübergangshalbleitermaterial gebildet. Beispiele für Heteroübergangshalbleitermaterialien umfassen Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN), Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Galliumnitrid (GaN), Aluminiumgalliumnitrid(AlGaN)-Galliumnitrid (GaN), Indiumgalliumnitrid(InGaN)-Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN), Silicium-Siliciumkarbid (SixC1-x) und Silicium-SiGe-Heteroübergangshalbleitermaterialien. Für Anwendungen mit Leistungshalbleiterschaltern werden zur Zeit hauptsächlich Si-, SiC-, GaAs- und GaN-Materialien verwendet.
  • Sich auf Raum beziehende 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, verschiedenen sind, verschiedene Ausrichtungen der jeweiligen Vorrichtung mit einschließen. Ferner werden Begriffe, wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen auch zum Beschreiben verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. verwendet. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
  • Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „aufweisen“, „beinhalten“, „enthalten“, „umfassen“, „haben“ 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. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1), umfassend: - eine erste Lastanschlussstruktur (11) und eine zweite Lastanschlussstruktur (12); - einen Halbleiterkörper (10), der zum Leiten eines Laststroms zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) konfiguriert ist; - mehrere Steuerzellen (14), die mit der ersten Lastanschlussstruktur (11) elektrisch verbunden sind und Folgendes umfassen: - einen vorwärts sperrenden Übergang (103), der zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) konfiguriert ist; und - eine Steuerelektrode (150), die mittels einer Steuerelektrodenisolierschicht (151) von dem vorwärts sperrenden Übergang (103) getrennt ist und zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert ist; - einen rückwärts sperrenden Übergang (104), der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) konfiguriert ist; und - mehrere Grabenfeldplatten (160), die in mehreren Feldplattengräben (16) angeordnet sind, wobei jeder Feldplattengraben (16) eine Feldplattenisolierschicht (161) umfasst, die eine der Grabenfeldplatten (160) von dem rückwärts sperrenden Übergang (104) trennt, wobei die Grabenfeldplatten (160) mit der zweiten Lastanschlussstruktur (12) elektrisch verbunden sind; wobei - die Feldplattengräben (16) eine Feldplattengrabentiefe (D) aufweisen, wobei mehrere Halbleitermesas (17) zwischen den Feldplattengräben (16) ausgebildet sind, wobei eine Breite (W) jeder der Halbleitermesas (17) kleiner als die Hälfte der Feldplattengrabentiefe (D) ist; und - der Halbleiterkörper (10) Folgendes umfasst: • ein Driftgebiet (100), das Dotierstoffe von einem ersten Leitfähigkeitstyp umfasst, und • ein erstes Feldstoppgebiet (108), das Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (100) umfasst, wobei sich das erste Feldstoppgebiet (108) zumindest teilweise zwischen den Feldplattengräben (16) erstreckt.
  2. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterkörper (10) eine Vorderseite (10-1) und eine Rückseite (10-2) aufweist, wobei die erste Lastanschlussstruktur (11) an der Vorderseite (10-1) angeordnet ist und die zweite Lastanschlussstruktur (12) an der Rückseite (10-2) angeordnet ist.
  3. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Halbleitermesas (17) zwischen den Feldplattengräben (16) ausgebildet sind, wobei die Breite (W) jeder der Halbleitermesas (17) kleiner als 2 µm ist.
  4. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Feldstoppgebiet (108) und/oder ein Maximum einer Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp des ersten Feldstoppgebiets (108) in einem Abstand von dem rückwärts sperrenden Übergang (104) angeordnet ist.
  5. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Maximum einer Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets (108) die Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp des Driftgebiets (100) um einen Faktor von mindestens 100 übersteigt.
  6. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Maximum einer Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets (108) kleiner als 5E17cm-3 ist.
  7. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich ein Maximum einer Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp innerhalb des ersten Feldstoppgebiets (108) in einem Abstand von mindestens 0,2 µm von dem rückwärts sperrenden Übergang (104) befindet.
  8. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Halbleitermesas (17), die eine Breite (W) aufweisen, zwischen den Feldplattengräben (16) ausgebildet sind, wobei eine Konzentration von Dotierstoffen vom ersten Leitfähigkeitstyp des ersten Feldstoppgebiets (108) in einem distalen Teil der Halbleitermesas (17) kleiner als das Fünffache der Dotierstoffkonzentration des Driftgebiets (100) ist, wobei sich der distale Teil der Halbleitermesas (17) von einer ersten Tiefe (D1), die einem distalen Ende der Grabenfeldplatten (160) entspricht, zu einer zweiten Tiefe (D2), die um die Hälfte der Breite (W) kleiner als die erste Tiefe (D1) ist, erstreckt.
  9. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (10) Folgendes umfasst: - ein zweites Feldstoppgebiet (109), das Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (100) umfasst, wobei sich das zweite Feldstoppgebiet (108) zumindest teilweise innerhalb der Steuerzellen (14) erstreckt.
  10. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der rückwärts sperrende Übergang (104) durch einen pn-Übergang gebildet wird.
  11. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der rückwärts sperrende Übergang (104) durch einen Schottky-Übergang gebildet wird.
  12. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) eine bipolare rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) ist.
  13. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) eine unipolare rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) ist.
  14. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Driftgebiet mehrere erste Spalten (1001) von einem ersten Leitfähigkeitstyp und mehrere zweite Spalten (1002) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, komplementär zu dem ersten Leitfähigkeitstyp, umfasst, wobei die ersten Spalten (1001) und die zweiten Spalten (1002) abwechselnd nebeneinander angeordnet sind.
  15. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein aktives Gebiet (18) und ein Randabschlussgebiet (19) hat, wobei ein Teil der mehreren Feldplattengräben (16) in dem Randabschlussgebiet (19) angeordnet ist.
  16. Rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rückwärts sperrende Leistungshalbleitervorrichtung (1) eine bidirektionale Schaltvorrichtung ist.
  17. Verfahren zur Verarbeitung einer rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) umfassend: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (10); - Koppeln sowohl einer ersten Lastanschlussstruktur (11) als auch einer zweiten Lastanschlussstruktur (12) mit dem Halbleiterkörper (10); - Bilden mehrerer Steuerzellen (14), die mit der ersten Lastanschlussstruktur (11) elektrisch verbunden sind und Folgendes umfassen: - einen vorwärts sperrenden Übergang (103), der zum Sperren einer Vorwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) in einem vorwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) konfiguriert ist; und - eine Steuerelektrode (150), die mittels einer Steuerelektrodenisolierschicht (151) von dem vorwärts sperrenden Übergang (103) getrennt ist und zum Schalten der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) zwischen dem vorwärts sperrenden Zustand und einem vorwärts leitenden Zustand konfiguriert ist; - Bilden eines rückwärts sperrenden Übergangs (104), der zum Sperren einer Rückwärtsspannung zwischen der ersten Lastanschlussstruktur (11) und der zweiten Lastanschlussstruktur (12) in einem rückwärts sperrenden Zustand der rückwärts sperrenden Leistungshalbleitervorrichtung (1) konfiguriert ist; und - Bilden mehrerer Grabenfeldplatten (160), die in mehreren Feldplattengräben (16) angeordnet sind, wobei jeder Feldplattengraben (16) eine Feldplattenisolierschicht (161) umfasst, die eine der Grabenfeldplatten (160) von dem rückwärts sperrenden Übergang (104) trennt, wobei die Grabenfeldplatten (160) mit der zweiten Lastanschlussstruktur (12) elektrisch verbunden sind, wobei - die Feldplattengräben (16) eine Feldplattengrabentiefe (D) aufweisen, wobei mehrere Halbleitermesas (17) zwischen den Feldplattengräben (16) ausgebildet sind, wobei eine Breite (W) jeder der Halbleitermesas (17) kleiner als die Hälfte der Feldplattengrabentiefe (D) ist; und - der Halbleiterkörper (10) Folgendes umfasst: • ein Driftgebiet (100), das Dotierstoffe von einem ersten Leitfähigkeitstyp umfasst, und • ein erstes Feldstoppgebiet (108), das Dotierstoffe vom ersten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (100) umfasst, wobei sich das erste Feldstoppgebiet (108) zumindest teilweise zwischen den Feldplattengräben (16) erstreckt.
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