DE10214176A1 - Halbleiterbauelement mit einer vergrabenen Stoppzone und Verfahren zur Herstellung einer Stoppzone in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einer vergrabenen Stoppzone und Verfahren zur Herstellung einer Stoppzone in einem Halbleiterbauelement

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer dotierten ersten Halbleiterzone (12), einer sich an die erste Halbleiterzone (12) anschließenden dotierten zweiten Halbleiterzone (14) und einer sich an die zweite Halbleiterzone (14) anschließende dotierte Halbleiterzone, wobei die erste Halbleiterzone (12) und die zweite Halbleiterzone (14) komplementär zueinander dotiert sind. In der zweiten Halbleiterzone (14) ist eine stark dotierte Stoppzone angeordnet, die näher an der dritten Halbleiterzone (18) als an der ersten Halbleiterzone (12) liegt. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung der Stoppzone in dem Halbleiterbauelement.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein vertikales Leistungs-Halbleiterbauelement, mit einer dotierten ersten Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps, einer sich an die erste Halbleiterzone anschließenden dotierten zweiten Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps, die schwächer als die erste Halbleiterzone dotiert ist, und einer sich an die zweite Halbleiterzone anschließenden dotierten dritten Halbleiterzone, die stärker als die zweite Halbleiterzone dotiert ist.
  • Eine derartige Halbleiterstruktur ist sowohl bei vertikalen Dioden als auch bei vertikalen Transistoren vorhanden, wobei die zweite schwächer dotierte Halbleiterzone als Driftstrecke dient, die im Sperrfall des Bauelements den Großteil der zwischen der ersten und dritten Halbleiterzone anliegenden Spannung aufnimmt.
  • Bei Dioden ist die dritte Halbleiterzone vom gleichen Leitungstyp wie die zweite Halbleiterzone. Üblicherweise sind die zweite Halbleiterzone und die dritte Halbleiterzone n- dotiert, so dass die erste Halbleiterzone die Anode und die zweite Halbleiterzone die Kathode bildet.
  • Bei Leistungs-MOS-Transistoren ist im Allgemeinen im Bereich der ersten Halbleiterzone, die üblicherweise im Bereich der Vorderseite eines Halbleiterkörpers liegt, eine Feldeffektstruktur vorhanden, die eine in der ersten Halbleiterzone angeordnete Zone des zweiten, zu der Dotierung der ersten Halbleiterzone komplementären Leitungstyps und eine Steuerelektrode umfasst. Die erste Halbleiterzone bildet die sogenannte Body-Zone des Bauelements, die in der Body-Zone angeordnete komplementär dotierte Zone bildet die Source-Zone oder Emitter-Zone. Die Steuerelektrode bzw. Gate-Elektrode erstreckt sich isoliert gegenüber den Halbleiterzonen von der Source- bzw. Emitter-Zone bis zu der zweiten Halbleiterzone, der Driftzone. Die Source-Zone bzw. die Emitter-Zone und die erste Halbleiterzone sind üblicherweise kurzgeschlossen, so dass parallel zu dem Leistungstransistor eine Freilaufdiode (Body- Diode) geschaltet ist.
  • Ist der Leistungstransistor als MOSFET (Metal Oxide Field- Effect-Transistor) ausgebildet, so ist die dritte Halbleiterzone vom selben Leitungstyp wie die zweite Halbleiterzone bzw. die Driftzone und bildet die Drain-Zone des Bauelements.
  • Ist der Leistungstransistor als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet, so ist die dritte Halbleiterzone komplementär zu der zweiten Halbleiterzone dotiert und bildet die Kollektorzone des Halbleiterbauelements.
  • Derartige Dioden, MOSFET und IGBT sind allgemein bekannt.
  • Die EP 0405 200 A1 beschreibt beispielsweise einen derartigen IGBT, in dessen Driftzone der Source-Zone eine stark dotierte Zone desselben Leitungstyps wie die Driftzone vorgelagert ist und die bewirken soll, dass Löcher, die von der p-dotierten Drain-Zone in die Driftzone injiziert werden, die Source-Zone nicht erreichen, sondern in dieser stark dotierten Zone, die bei einer Ausführungsform aus mehreren beabstandeten Abschnitten aufgebaut ist, rekombinieren.
  • Alle der genannten Bauelemente unterliegen dem Problem, dass beim Abschalten des Bauelements, also beim Übergang des Bauelements von einem stromleitenden in einen sperrenden Zustand ein Abreißen des Stromes auftreten kann. Dies bezeichnet einen Vorgang, bei dem der Strom des Bauelements extrem schnell auf sehr geringe Werte absinkt. Da durch die Beschaltung derartiger Bauelemente unvermeidlich parasitäre Induktivitäten vorhanden sind, insbesondere in den Zuleitungen, und die Spannung in diesen Induktivitäten bekanntlich proportional zu der Ableitung des Stromes ist, bewirkt eine schnelle Abnahme des Stromes auf sehr geringe Werte eine hohe induzierte Spannung, die zu einer Beschädigung des Bauelements führen kann. Darüber hinaus kann für bestimmte Anwendungen das Auftreten abrupter Stromänderungen unerwünscht sein, beispielsweise bei Verwendung einer Diode als Freilaufdiode in einem Halbleiterbauelement.
  • Ein sehr schnelles Absinken des Stromes bei Sperren des Bauelements resultiert daraus, dass die zweite Halbleiterzone zunächst noch von Ladungsträgern überflutet ist, die aufgrund einer sich ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone ausbreitenden Raumladungszone aus der zweiten Halbleiterzone der Driftzone abtransportiert werden. Solange dieser Abtransport der "gespeicherten" Ladungsträger (Plasmaladung) anhält, fließt noch ein Strom durch die Anschlussleitungen bzw. zu angeschlossenen Verbrauchern, der langsam abnimmt. Sobald die Raumladungszone den gesamten Halbleiterkörper einnimmt und keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind, sinkt dieser Strom mit einem großen zeitlichen Gradienten auf sehr kleine Werte ab.
  • Zur Umgehung dieses Problems ist es bekannt, die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone in vertikaler Richtung des Halbleiterbauelements möglichst groß zu machen, so dass beim Abschalten möglichst lange Ladungsträger nachgeliefert werden, um ein "weiches" Abschalten, d. h. ein möglichst langsames Abklingen des Stromes, zu gewährleisten. Nachteilig ist hierbei, dass die Verluste zunehmen, da mit zunehmender Dicke der Driftzone auch der Durchlasswiderstand zunimmt.
  • Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das beim Übergang in den sperrenden Zustand ein weiches Abschaltverhalten zeigt.
  • Dieses Ziel wird bei einem Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement umfasst eine dotierte erste Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps, eine sich an die erste Halbleiterzone anschließende dotierte zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps, die schwächer als die erste Halbleiterzone dotiert ist, eine sich an die zweite Halbleiterzone anschließende dotierte dritte Halbleiterzone, die stärker als die zweite Halbleiterzone dotiert ist, und eine in der zweiten Halbleiterzone beabstandet zu der dritten Halbleiterzone angeordnete Stoppzone des zweiten Leitungstyps, wobei die Stoppzone stärker als die Stoppzone umgebende Bereiche der zweiten Halbleiterzone dotiert ist, und wobei der Abstand zwischen der Stoppzone und der dritten Halbleiterzone geringer als der Abstand zwischen der Stoppzone und der ersten Halbleiterzone ist.
  • Beim Sperren des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements werden, wenn die Raumladungszone die Stoppzone erreicht, aus der stärker dotierten Stoppzone und vor allem aus dem Bereich, der zwischen der Stoppzone und der dritten Zone liegt, Ladungsträger nachgeliefert, die so noch für eine längere Zeitdauer einen Stromfluss hervorrufen als dies ohne Stoppzone der Fall wäre und dadurch ein "weiches" Abschaltverhalten bewirken.
  • Die Stoppzone erhöht den Durchlasswiderstand nicht wesentlich und ist insbesondere bei solchen Bauelementen vorteilhaft, die zur Erreichung einer guten Höhenstrahlungsfestigkeit eine geringe Dotierung der zweiten Halbleiterzone bzw. der Driftzone besitzen.
  • Die Stoppzone ist in etwa dort in der zweiten Halbleiterzone angeordnet, wo im Bauelement ohne Stoppzone zum Ende der Ausräumphase freie Ladungsträger - die ausgehend von dem pn- Übergang zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone ausgeräumt werden - vorhanden sind. Dies hängt implizit mit der Position der Stoppzone zusammen. Die Stoppzone liegt näher an der dritten Halbleiterzone als an der ersten Halbleiterzone, das heißt, der Abstand zwischen der Stoppzone und der dritten Halbleiterzone ist geringer als der Abstand zwischen der Stoppzone und der ersten Halbleiterzone.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Stoppzone mehrere lateral beabstandet zueinander angeordnete Zonen auf, zwischen denen schwächer dotierte Zonen der zweiten Halbleiterzone angeordnet sind. Diese zwischen den stärker dotierten Zonen der Stoppzone befindlichen schwächer dotierten Zonen der zweiten Halbleiterzone bilden "Durchlässe" für Ladungsträger in der zweiten Halbleiterzone.
  • Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der dritten Halbleiterzone und der ersten Halbleiterzone mehr als dreimal so groß wie der Abstand zwischen der Stoppzone und der dritten Halbleiterzone. Die Abmessungen der Stoppzone sind in einer Richtung von der ersten zu der dritten Halbleiterzone, also in vertikaler Richtung des Bauelements, wesentlich geringer als die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone in dieser Richtung.
  • Das Halbleiterbauelement kann als Diode ausgebildet sein, wobei bei einer p-dotierten ersten Halbleiterzone diese erste Halbleiterzone die Anode bildet und die dritte Halbleiterzone, die dann n-dotiert ist, die Kathode bildet.
  • Das Halbleiterbauelement kann auch als MOS-Transistor ausgebildet sein, wobei dann wenigstens eine Feldeffektstruktur vorhanden ist, die eine in der ersten Halbleiterzone beabstandet zu der zweiten Halbleiterzone angeordnete Zone des zweiten Leitungstyps und eine isoliert gegenüber den Halbleiterzonen ausgebildete Steuerelektrode umfasst.
  • Die erste Halbleiterzone bildet dabei die Body-Zone, und die in der Body-Zone angeordnete Zone des zweiten Leitungstyps bildet die Source-Zone bzw. die Emitter-Zone. Der Dotierungstyp der dritten Halbleiterzone entspricht bei einem MOSFET dem Dotierungstyp der zweiten Halbleiterzone bzw. der Driftzone, wobei die dritte Halbleiterzone die Drainzone des MOS- FET bildet. Der Dotierungstyp der dritten Halbleiterzone ist bei einem IGBT komplementär zu dem Dotierungstyp der zweiten Halbleiterzone bzw. der Driftzone, wobei die dritte Halbleiterzone die Kollektorzone des IGBT bildet.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es des weiteren, ein Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen Stoppzone in einem Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen.
  • Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 8 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 9 bis 15.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Stoppzone in einer dotierten Zone eines Halbleiterkörpers sieht vor, den Halbleiterkörper mit einer Teilchenstrahlung zur Erzeugung von Störstellen im Kristallgitter des Halbleiterkörpers zu bestrahlen und anschließend einen Diffusionsschritt durchzuführen, bei dem der Halbleiterkörper entweder in einer Dotierstoffatome enthaltenden Umgebung auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt wird, oder bei dem der Dotierstoff schon vor dem Aufheizprozess in die Siliziumscheibe - zum Beispiel durch Ionenimplantation - eingebracht wurde und bei dem der sich dann anschließende Hochtemperaturschritt als reiner Eintreibeschritt mit einer keine Dotierstoffatome enthaltenden Gasatmosphäre ausgelegt ist.
  • Besonders geeignet als Dotierstoffatome sind bei einer n- leitenden zweiten Halbleiterzone zur Erzeugung einer stark n- dotierten Stoppzone Selenatome oder Schwefelatome und bei einer p-leitenden zweiten Halbleiterzone zur Erzeugung einer stark p-dotierten Stoppzone Aluminiumatome.
  • Als Teilchenstrahlung zur Erzeugung der Störstellen eignet sich insbesondere eine Heliumbestrahlung.
  • Die Diffusionstemperatur, auf welche der Halbleiterkörper aufgeheizt wird, liegt vorzugsweise zwischen 600°C und 1000°C liegt.
  • Die Tiefe, in der die Stoppzone in dem Halbleiterkörper erzeugt wird, ist über die Energie der Teilchenstrahlung einstellbar, wobei die Teilchen um so weiter in den Halbleiterkörper eindringen und Störstellen um so tiefer ausgehend von der Oberfläche erzeugen je energiereicher die Strahlung ist. Die Dichte der erzeugten Defekte in Bestrahlungsrichtung folgt dabei in etwa einer Gaußverteilung, wobei dieser Bereich mit erzeugten Defekten - wie gewünscht - relativ schmal ist und im sogenannten "end-of-range"-Bereich (d. h., in dem Bereich, in dem die Energieabgabe der Bestrahlungsteilchen maximal ist) liegt. Die vertikale Breite der Defektzone lässt sich vergrößern, wenn der Halbleiterkörper nicht direkt sondern durch eine dünne Folie bestrahlt wird, die die Eindringtiefe eines Teils der Teilchen mindert. Die Vergrößerung der Abmessung wird dadurch bedingt, dass man in diesem Fall eine höhere Bestrahlungsenergie benötigt, was wiederum zu einer breiteren vertikalen Defektverteilung führt.
  • Vorzugsweise wird der Halbleiterkörper durch eine für die Teilchenstrahlung teilweise undurchdringliche Maske bestrahlt, um so Defekte nur in ausgewählten, durch die Geometrie der Maske vorgegebenen Bereichen zu erzeugen.
  • Während des Diffusionsschrittes werden die durch die Bestrahlung erzeugten Defektstellen, die als Senken für die Dotierstoffatome dienen, durch diese aufgefüllt. Aufgrund der hohen während des Diffusionsprozesses herrschenden Temperatur werden die entstandenen Defekte, insbesondere sogenannte A- Zentren, Doppelleerstellen und Komplexe bestehend aus mehreren Leerstellen zwar teilweise ausgeheilt, es hat sich jedoch gezeigt, dass dennoch eine ausreichende Anzahl Defekte nicht ausgeheilt, sondern als Senken für die Dotierstoffatome dienen, um so eine stark dotierte Stoppzone zu bilden. Während des Diffusionsvorganges diffundieren die Dotierstoffatome im wesentlichen interstitiell durch das Kristallgitter und bauen sich substitutionell in das Kristallgitter ein, um elektrisch aktiv zu werden.
  • Als Halbleitermaterial für das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere Silizium geeignet.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
  • Fig. 1 ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement,
  • Fig. 2 ein als MOSFET ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement,
  • Fig. 3 ein als IGBT ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement,
  • Fig. 4 beispielhaft einen Dotierungsverlauf in der Stoppzone entlang der in den Fig. 1 bis 3 eingezeichneten Schnittlinie A-A',
  • Fig. 5 ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement (Fig. 5a) und den dreidimensionalen Dotierungsverlauf im Bereich der Stoppzone ( Fig. 5b),
  • Fig. 6 einen Verfahrensschritt zur Herstellung einer vergrabenen Stoppzone in einem Halbleiterbauelement.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Bereiche mit gleicher Bedeutung.
  • Fig. 1 zeigt den Ausschnitt eines Halbleiterkörper 10 eines als Diode ausgebildeten erfindungsgemäßen vertikalen Halbleiterbauelements. Das Bauelement weist eine stark p-dotierte erste Halbleiterzone 12 auf, die im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 10 angeordnet ist und an die sich in vertikaler Richtung eine schwach n-dotierte zweite Halbleiterzone 14 anschließt. An diese zweite Halbleiterzone 14 schließt sich in vertikaler Richtung eine stark n-dotierte dritte Halbleiterzone 18 an, die die Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 10 bildet.
  • Erfindungsgemäß ist in der zweiten Halbleiterzone 14 beabstandet zu der dritten Halbleiterzone 18 eine stärker als der übrige Bereich der zweiten Halbleiterzone 14 dotierte Stoppzone 16 vorhanden, die vom selben Leitungstyp wie der übrige Bereich der zweiten Halbleiterzone 14 ist. Die Stoppzone 16 ist beabstandet zu der dritten Halbleiterzone 18 und beabstandet zu der ersten Halbleiterzone 12 angeordnet, wobei der Abstand zwischen der Stoppzone 16 und der dritten Halbleiterzone 18 geringer ist als der Abstand zwischen der Stoppzone 16 und der ersten Halbleiterzone 12 ist.
  • Die Stoppzone 16 umfasst in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mehrere Teilabschnitte, die in lateraler Richtung des Bauelements beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass zwischen den einzelnen stark n-dotierten Teilzonen schwächer n-dotierte Zonen der zweiten Halbleiterzone 14 vorhanden sind die Durchlässe für Ladungsträger bilden.
  • Bei dem als PIN-Diode ausgebildeten Bauelement gemäß Fig. 1 dient die erste Halbleiterzone 12 als Anodenzone, ein nur schematisch eingezeichneter Anschluss 22 bildet entsprechend den Anodenanschluss. Die zweite Halbleiterzone 14 dient als Driftstrecke oder Driftzone, die im Sperrfall einen wesentlichen Teil der anliegenden Sperrspannung aufnimmt, und die dritte Halbleiterzone 18, die bei der Diode vom selben Leitungstyp wie die Driftstrecke 14 aber komplementär zu der Dotierung der ersten Halbleiterzone 12 ist, dient als Kathodenzone, ein nur schematisch eingezeichneter Anschluss 24 dient entsprechend als Kathodenanschluss. Das elektrische Ersatzschaltbild des Bauelements ist gestrichelt in die Struktur in Fig. 1 eingezeichnet.
  • Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bauelements und insbesondere die Funktionsweise der Stoppzone 16 wird nachfolgend kurz erläutert.
  • Bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Anodenanschluss 22 und dem Kathodenanschluss 24 wird das Bauelement in Flussrichtung betrieben, wobei Elektronen und Löcher in die Driftzone 14 injiziert werden und diese "überfluten". Das Bauelement sperrt bei einem Umpolen der Spannung, d. h. bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Kathodenanschluss 24 und dem Anodenanschluss 22. Ausgehend von der Anodenzone 12 und der Kathodenzone 18 breitet sich dabei eine Raumladungszone aus, die ein Abfließen der freien Ladungsträger aus der Driftzone 14 bewirkt. Diese in der Driftzone 14 noch vorhandenen freien Ladungsträger sorgen dafür, dass der an den Anschlussklemmen 22, 24 zu beobachtende Strom nicht abrupt mit dem Umpolen der Spannung abbricht, sondern noch für eine gewisse Zeitdauer aufrecht erhalten wird, bis die freien Ladungsträger aus der Driftzone 14 abgeflossen sind.
  • Die Stoppzone 16 ist so angeordnet, dass bei Ausbreiten der Raumladungszone bis zuletzt freie Ladungsträger vorhanden sind, insbesondere in der Zone 142 zwischen der Stoppzone 16und dem Emitter 18. Bevor das Bauelement vollständig sperrt, d. h. der an den Anschlussklemmen 22, 24 zu beobachtende Strom auf sehr kleine Werte (Sperrstrom) absinkt, werden auch freie Ladungsträger aus der stärker dotierten Stoppzone 16 und der Zone 142 nachgeliefert. Da aus der vorgeschlagenen Struktur mit der Stoppzone 16 mehr Ladungsträger geliefert werden, als bei einem Bauelement, bei dem keine derartige vergrabene Stoppzone vorhanden ist, nimmt der Strom bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement langsamer ab. Insbesondere der Stromabfall kurz bevor die Raumladungszone ihre maximale Ausdehnung erreicht hat, ist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement geringer als bei herkömmlichen derartigen Bauelementen. Induzierte Spannungen in parasitären Induktivitäten, beispielsweise den Zuleitungen, die proportional zur Ableitung des Stromes sind, sind bei dem erfindungsgemäßen Bauelement gegenüber herkömmlichen derartigen Bauelementen deshalb reduziert.
  • Die abschnittsweise Ausbildung der Stoppzone 16 mit dazwischen liegenden schwächer dotierten Bereichen sorgt dafür, dass durch die schwächer dotierten Bereiche "Durchlässe" für freie Ladungsträger vorhanden sind, um den Ladungsträgerstrom in der Driftzone 14 durch das Vorhandensein der Stoppzone nicht oder nur unwesentlich zu beeinflussen.
  • Wie bereits erläutert, ist die Stoppzone in einem Bereich der Driftzone angeordnet, der näher an der n-dotierten dritten Halbleiterzone 18 als an der p-dotierten ersten Halbleiterzone 12 liegt. Der Abstand zwischen der dritten Halbleiterzone 18 und der ersten Halbleiterzone 12 ist vorzugsweise mehr als dreimal so groß wie der Abstand zwischen der Stoppzone 16 und der dritten Halbleiterzone 18.
  • Fig. 2 zeigt ein als MOSFET ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, das sich von der Diode gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass im Bereich der Vorderseite des Halbleiterbauelements eine Feldeffektstruktur vorhanden ist.
  • Diese Feldeffektstruktur umfasst stark n-dotierte Source- Zonen 13 in der als Body-Zone dienenden ersten Halbleiterzone 12 sowie wenigstens eine gegenüber dem Halbleiterkörper 10 isolierte Gate-Elektrode 36 zur Ausbildung eines leitenden Kanals zwischen der Source-Zone 13 und der Driftzone 14 bei Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials. Die Driftzone 14 erstreckt sich bei dem MOSFET abschnittsweise zwischen den stark p-dotierten Body-Zonen 12 bis an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörper, oberhalb der die Gate-Elektrode 36 angeordnet ist.
  • Bei einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausbildung des MOSFET als Trench-MOSFET ist die Gate-Elektrode in einem sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper hinein erstreckenden Graben angeordnet und erstreckt sich bis in die Driftzone, so dass die Driftzone bei diesem Ausführungsbeispiel nicht bis an die Vorderseite des Halbleiterkörpers 10 reicht.
  • Die Body-Zone 12 und die Source-Zone 13 sind durch eine Anschlusselektrode 22 kurzgeschlossen, die die Source-Elektrode des Bauelements bildet. Die stark n-dotierte Halbleiterzone 18 im Bereich der Rückseite 102 des Halbleiterbauelements dient als Drain-Anschluss. Die Gate-Elektrode 36 ist durch einen schematisch dargestellten Gate-Anschluss 26 kontaktiert.
  • Erfindungsgemäß ist auch bei diesem Halbleiterbauelement eine stärker als die zweite Halbleiterzone 14 dotierte Stoppzone 16 vorhanden, die ein "weiches Abschalten" der Body-Diode gewährleistet. Die Funktion dieser Body-Diode entspricht der Funktion der in Fig. 1 dargestellten Diode, wobei diese Diode in Flussrichtung gepolt ist, wenn zwischen dem Source- Anschluss und dem Drain-Anschluss des MOSFET eine positive Spannung anliegt. Diese Diode, deren Schaltsymbol gestrichelt eingezeichnet ist, dient als Freilaufdiode, die bei sperrendem MOSFET und Anliegen einer positiven Source-Drain-Spannung leitet. Die spezielle Anordnung der Stoppzone 16 sorgt dafür, dass bei einem Umpolen der Spannung, d. h. einem Anliegen einer positiven Drain-Source-Spannung der durch die Body-Diode fließende Freilaufstrom nicht abrupt abnimmt.
  • Fig. 3 zeigt ein als IGBT ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, das sich von dem in Fig. 2 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die dritte Halbleiterzone 18 im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers 10 p-dotiert ist, um bei leitend angesteuertem Bauelement in bekannter Weise Minoritätsladungsträger in die Driftzone 14 zu injizieren.
  • Fig. 4 zeigt schematisch den Dotierungsverlauf, d. h. die Konzentration ND an Donatoratomen entlang der in den Fig. 1 bis 3 eingezeichneten Schnittlinie A-A' im Bereich der Stoppzone 16. Diese Dotierungskonzentration ist im Bereich der Abschnitte der stark dotierten Stoppzone 16 hoch und zwischen diesen Abschnitten entsprechend niedrig. Übliche Werte für die hohe Dotierung betragen etwa 1016 cm-3. Übliche Werte für die niedrige Dotierung liegen im Bereich von 1013 cm-3.
  • Die Breite der Abschnitte der Stoppzone 16 kann in etwa dem Abstand zwischen diesen Abschnitten entsprechen. Der Abstand zwischen diesen Stoppzonen kann jedoch auch wesentlich geringer als die lateralen Abmessungen der Stoppzonen sein, wie bei der erfindungsgemäßen Diode gemäß Fig. 5a dargestellt ist.
  • Fig. 5b zeigt den dreidimensionalen Dotierungsverlauf im Bereich der Stoppzone 16 bei der Diode nach Fig. 5a, woraus hervorgeht, dass die Dotierung im Bereich der Stoppzone wesentlich höher ist als die Dotierung umliegender Bereiche.
  • Zur Herstellung der Stoppzone der Halbleiterzone 14 ist vorgesehen, den Halbleiterkörper 10 mittels einer Teilchenstrahlung 40, insbesondere einer Heliumbestrahlung, von der Rückseite 102 her zu bestrahlen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die Teilchen dringen in den Halbleiterkörper ein und erzeugen Kristalldefekte in Bereichen 50, wobei der Abstand dieser Bereiche 50 von der Rückseite des Halbleiterkörpers 102 bzw. die Eindringtiefe der Teilchen 40 von der Strahlungsenergie abhängig und über diese eingestellt werden kann. Die Bestrahlung erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 durch eine Maske 60, die für die Teilchenstrahlung undurchdringlich ist, um dadurch mehrere beabstandete Defektbereiche 50 in der Tiefe des Halbleiterkörpers zu erzeugen.
  • In einem nächsten, nicht näher dargestellten Verfahrensschritt wird der Halbleiterkörper 10 einem Diffusionsverfahren unterzogen, bei dem der Halbleiterkörper in einer Dotierstoffatome enthaltenden Umgebung auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt wird. Die Dotierstoffatome diffundieren während des Diffusionsverfahrens in den Halbleiterkörper 10 und füllen die durch die vorige Teilchenbestrahlung entstandenen Fehlstellen in den Defektbereichen 50 auf, um dadurch stark dotierte Abschnitte der späteren Stoppzone zu bilden. Die Dotierstoffatome, die bei einer n-Dotierung insbesondere Selenatome oder Schwefelatome sind, diffundieren interstitiell in das Kristallgitter und fügen sich substitutionell in Fehlstellen des Kristallgitters in den Defektbereichen 50 ein. Während des Diffusionsverfahrens, das vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 600°C und 1000°C abläuft, heilen die zuvor entstandenen Defekte teilweise aus, es hat sich jedoch gezeigt, dass dennoch eine ausreichende Anzahl von Fehlstellen für das Auffüllen durch Dotierstoffatome verbleibt. Alternativ hierzu können die Dotierstoffe auch durch eine Ionenimplantation in den Siliziumkristall - vorzugsweise durch Implantation in die Rückseite 102 - eingebracht und anschließend durch einen Hochtemperaturprozess in den Siliziumkristall eindiffundiert werden.
  • Die vertikalen Defektkonzentrationsprofile der Defektbereiche 50 und damit die vertikalen Dotierungsprofile der Abschnitte der späteren Stoppzone folgen einer Gaußverteilung. Zur Verbreiterung dieser Abschnitte in vertikaler Richtung ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, den Halbleiterkörper 10 durch eine dünne Folie zu bestrahlen. Diese dünne Folie bremst einen Teil der Teilchenstrahlung ab, und vermindert so deren Eindringtiefe, was dazu führt, dass die Energie der Bestrahlungsteilchen erhöht werden muss, um die gleiche Eindringtiefe zu erreichen und somit der Bereich, in dem Defekte erzeugt werden, in vertikaler Richtung breiter gestreut ist.
  • Zur Erzeugung einer stark p-dotierten Stoppzone werden vorzugsweise Aluminiumatome als Dotierstoffatome während des Diffusionsschrittes verwendet.

Claims (14)

1. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:
- eine dotierte erste Halbleiterzone (12) eines ersten Leitungstyps (p),
- eine sich an die erste Halbleiterzone (12) anschließende dotierte zweite Halbleiterzone (14) eines zweiten Leitungstyps (n), die schwächer als die erste Halbleiterzone (12) dotiert ist,
- eine sich an die zweite Halbleiterzone (14) anschließende dotierte dritte Halbleiterzone (18), die stärker als die zweite Halbleiterzone (14) dotiert ist,
- eine in der zweiten Halbleiterzone (14) beabstandet zu der dritten (18) Halbleiterzone angeordnete Stoppzone (16) des zweiten Leitungstyps (n), wobei die Stoppzone (16) stärker als die Stoppzone (16) umgebende Bereiche der zweiten Halbleiterzone (14) dotiert ist, und wobei der Abstand zwischen der Stoppzone (16) und der dritten Halbleiterzone (18) geringer als der Abstand zwischen der Stoppzone (16) und der ersten Halbleiterzone (12) ist,
- eine abschnittsweise ausgebildete Stoppzone (16), wobei die Stoppzone (16) mehrere lateral beabstandet zueinander angeordnete Zonen aufweist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der Abstand zwischen der dritten Halbleiterzone (18) und der ersten Halbleiterzone (12) mehr als dreimal so groß wie der Abstand zwischen der Stoppzone (16) und der dritten Halbleiterzone (18) ist.
3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das wenigstens eine Feldeffektstruktur aufweist, die eine in der ersten Halbleiterzone (12) beabstandet zu der zweiten Halbleiterzone (14) angeordnete Zone (13) des zweiten Leitungstyps (n) und eine isoliert gegenüber den Halbleiterzonen (12, 13) ausgebildete Steuerelektrode (36) umfasst.
4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die dritte Halbleiterzone (18) vom zweiten Leitungstyp (p) ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem die dritte Halbleiterzone (18) vom ersten Leitungstyp ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abmessungen der Stoppzone (16) in Richtung von der ersten zu der dritten Halbleiterzone (12, 18) wesentlich geringer als die Abmessungen der zweiten Halbleiterzone (14) in dieser Richtung sind.
7. Verfahren zum Herstellen einer Stoppzone (16) in einer dotierten Zone (14) eines Halbleiterkörpers (10), das folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Bestrahlen des Halbleiterkörpers (10) mit einer Teilchenstrahlung (40) zur Erzeugung von Defekten (50) im Kristallgitter des Halbleiterkörpers (10),
- Durchführen eines Diffusionsschrittes, bei dem in den Halbleiterkörper Dotierstoffatome bei einer erhöhten Temperatur eindiffundiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Zone (14) des Halbleiterkörpers (10) n-dotiert ist und bei dem die Dotierstoffatome Selen- oder Schwefelatome sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Zone (14) des Halbleiterkörpers (10) p-dotiert ist und bei dem die Dotierstoffatome Aluminiumatome sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Teilchenstrahlung eine Heliumbestrahlung ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Diffusionstemperatur zwischen 600°C und 1000°C liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 bei dem der Halbleiterkörper direkt mittels der Teilchenstrahlung (40) bestrahlt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Halbleiterkörper durch eine dünne Folie mittels der Teilchenstrahlung (40) bestrahlt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Halbleiterkörper durch eine für die Teilchenstrahlung teilweise undurchdringliche Maske (60) bestrahlt wird.
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