DE10217610A1 - Metall-Halbleiter-Kontakt, Halbleiterbauelement, integrierte Schaltungsanordnung und Verfahren - Google Patents

Metall-Halbleiter-Kontakt, Halbleiterbauelement, integrierte Schaltungsanordnung und Verfahren

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metall-Halbleiter-Kontakt mit einer Halbleiterschicht und mit einer auf der Halbleiterschicht aufgebrachten Metallisierung, wobei in die Halbleiterschicht eine derart hohe Dotierstoffkonzentration eingebracht ist, dass ein ohmscher Metall-Halbleiter-Kontakt zwischen der Metallisierung und der Halbleiterschicht ausgebildet ist. Die Metallisierung und/oder die Halbleiterschicht sind derart ausgebildet, dass lediglich ein Bruchteil der eingebrachten Dotierungskonzentration elektrisch wirksam ist und dass eine lediglich mit diesem Bruchteil der Dotierungskonzentration dotierte Halbleiterschicht bei Kontaktierung mit der Metallisierung lediglich einen Schottky-Kontakt ausbildet. Ferner betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement mit einer Drainzone, darin eingebetteten Bodyzonen und wiederum darin eingebetteter Sourcezonen. Das Halbleiterbauelement weist Metall-Halbleiter-Kontakte auf, bei dem die Kontakte lediglich die Sourcezonen, nicht aber die Bodyzonen kontaktiert. Ferner ist eine als Brückenschaltung vorgesehene integrierte Schaltungsanordnung vorgesehen. Die Erfindung betrifft schließlich noch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Halbleiter-Kontaktes.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metall-Halbleiter- Kontakt gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12, eine integrierte Schaltungsanordnung mit einem solchen Metall-Halbleiter-Kontakt sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Halbleiter- Kontaktes.
  • Die Erfindung betrifft also ohmsche Kontakte auf einem Halbleiterkörper im Allgemeinen und insbesondere ohmsche Kontakte zur Kontaktierung von Halbleiterbauelementen im Speziellen. Solche Kontakte sind allgemein bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
  • Die Funktion einer niederohmigen, elektrischen Verbindung von den Elektroden eines integrierten Halbleiterbauelementes zur "Außenwelt" oder verschiedener Halbleiterbauelemente einer integrierten Schaltung untereinander übernehmen in den meisten Fällen hochleitfähige Metallschichten oder Metalllegierungen. Ebenfalls zur Anwendung können hier Metallsilizidschichten oder hochdotiertes Polysilizium kommen, auf die jedoch nachfolgend nicht näher eingegangen werden soll. Die Hauptanforderung an metallische Materialien zur Kontaktierung eines Halbleiterkörpers ist ein möglichst geringer Schichtwiderstand. Darüber hinaus sollte das Material gute haftende Eigenschaften aufweisen und möglichst bei Kontakt mit dem Halbleiterkörper keine unkontrollierbaren Legierungsprozesse hervorrufen. Als hochleitfähige Materialien werden daher insbesondere Aluminium, Gold, Silber, Kupfer, Titan, Platin und dergleichen verwendet. Aufgrund seiner einfachen Prozessierbarkeit eignet sich Aluminium besonders vorteilhaft als Kontaktmaterial, insbesondere für Kontakte auf p- taktmaterial, insbesondere für Kontakte auf p-dotiertem Siliziumsubstrat.
  • Bei Metall-Halbleiter-Kontakten unterscheidet man hinsichtlich ihrer Funktion rein ohmsche Kontakte und Schottky- Kontakte. Ohmsche Kontakte sind erforderlich an den Kontaktierungen aller Halbleiterbauelemente, wenn das Metall nur den Zweck der Kontaktierung erfüllen soll, während Schottky- Kontakte bzw. -Dioden als Gleichrichter Verwendung finden. In gewisser Weise ist ein ohmscher Kontakt ein spezielles Ausführungsbeispiel eines Schottky-Kontaktes, der jedoch eine sehr schmale Potenzialbarriere aufweist. Bei ohmschen Kontakten soll die für Schottky-Kontakte charakteristische, stark nicht-lineare Diodenkennlinie bewusst vermieden werden. Hierzu vergrößert man an der Kontaktstelle die Halbleiterdotierung derart, dass die Durchbruchspannung an dem Metall- Halbleiter-Übergang sinkt und sich somit ein Schottky-Kontakt mit besonders schmaler - im Nanometerbereich - Raumladungszone ergibt. Im Falle einer sehr hohen Halbleiterdotierung wird die Potenzialbarriere zwischen Halbleiter und Metall nicht mehr durch thermoionische Emission überwunden, sondern von den Ladungsträgern über den quantenmechanisch Tunneleffekt durchquert. Wesentlich hierbei ist, dass der Halbleiter so hoch dotiert ist, dass die Tunnelwahrscheinlichkeit bereits bei einer Spannung von U = 0 Volt ausreichend groß ist, so dass der Metall-Halbleiter-Kontakt seine Sperrfähigkeit verliert und in beide Richtungen gut leitend (ohmscher Kontakt) ist.
  • Bei elektrischen Kontakten auf p-dotiertem Halbleitermaterial ergibt sich aufgrund der Bandstruktur bereits bei relativ niedriger Dotierung ein ohmscher Kontakt. Hingegen sind elektrische Kontakte auf n-dotiertem Halbleitermaterial aufgrund des hohen Bandabstandes nahezu immer als Schottky- Kontakte ausgebildet. Die Barrierenhöhe des Bandabstandes ist vom Metall und dessen Elektronenaustrittsarbeit abhängig. Ein ohmscher Kontakt auf n-dotiertem Halbleitermaterial kommt nur zustande, wenn die Elektronen durch die sehr steile, jedoch schmale Barriere tunneln, weshalb eine entsprechend hohe Dotierung erforderlich ist. Der sich daraus ergebende Kontakt liefert somit eine etwa ohmsche Kennlinie.
  • Aus diesem Grunde gewährleistet Aluminium auf p-dotiertem Silizium bereits bei verhältnismäßig geringer Grunddotierung (1016 cm-3) einen guten ohmschen Kontakt (10-5 Sµm-2), während auf n-dotiertem Silizium hierfür eine sehr viel höhere Grunddotierung (größer 1019 cm-3) erforderlich ist. Die anderen üblicherweise verwendeten Kontaktmaterialien, wie z. B. Gold und Kupfer, eignen sich bei der Kontaktierung von n-Silizium nicht besser als Aluminium.
  • Bei der Kontaktierung eines n-dotierten Halbleiterkörpers muss also eine sehr hohe Grunddotierung im Kontaktbereich in Kauf genommen werden, um die gewünschten Anforderungen des ohmschen Kontaktes zu erhalten. Allerdings geht dadurch ein Freiheitsgrad im Design verloren, da so kontaktierte Halbleiterbauelemente hinsichtlich ihres Kontaktbereiches bereits in der minimalen Dotierungskonzentration festgelegt sind.
  • Eine sich daraus ergebende Einschränkung sei nachfolgend exemplarisch anhand eines herkömmlichen MOS-Transistors - auch kurz MOSFET genannt - erläutert, ohne jedoch die Erfindung auf dieses Halbleiterbauelement zu beschränken. Fig. 1 zeigt einen vertikalen Leistungs-D-MOSFET, wie er beispielsweise in Stengl, Tihanyi, "Leistungs-MOSFET-Praxis", Pflaum-Verlag München, 1992, insbesondere dort in Bild 2.3.1 dargestellt ist.
  • Durch die Abfolge der in einem MOSFET vorhandenen dotierten Bereiche unterschiedlichen Leitungstyps weist dieser stets einen parasitären Bipolartransistor T1 auf. Diese Halbleiterbereiche bestehen im Falle eines n-Kanal-MOSFET aus einer n- p-n-Struktur. Der daraus resultierende, parasitäre Bipolartransistor T1 ist somit ein npn-Bipolartransistor, dessen Kollektor-, Basis- und Emitter-Zone aus der Sourcezone 27, der Bodyzone 26 und der Drainzone 23, 24 des MOSFET gebildet werden. Die Auswirkungen des parasitären Bipolartransistors sind um so größer, je größer der Stromverstärkungsfaktor β = IC/IB ist. Der Stromverstärkungsfaktor β hängt von den Dotierstoffdosen bzw. vom Verhältnis der Dosen im Source- und Bodygebiet ab. Unter der Dotierstoffdosis ist hier die integrale Dotierstoffkonzentration in dem jeweiligen Gebiet bezeichnet. Eine sehr hohen Dotierungskonzentration in der n- dotierten Sourcezone 27 bewirkt somit einen sehr hohen Stromverstärkungsfaktor β und damit eine verringerte Einschaltschwelle des parasitären Bipolartransistors. Es wäre also anzustreben, den Stromverstärkungsfaktor β möglichst gering zu halten, um dadurch auch den Einfluss des parasitären Bipolartransistors weitestgehend zu eliminieren. Allerdings ist dies aufgrund des eingeschränkten Freiheitsgrades bei der Dimensionierung der Dotierungskonzentration in der Sourcezone 27 nur begrenzt möglich.
  • Um die Auswirkungen dieses parasitären Bipolartransistors auf die Spannungsfestigkeit des MOSFETs dennoch zu verhindern, wird üblicherweise die Sourcezone und die Bodyzone des MOS- FETs (oder auch das Substrat) über einen Nebenschluss miteinander kurzgeschlossen. Zwar wird in der Literatur auf die Darstellung des Source-Body-Kurzschlusses häufig verzichtet, jedoch wird ein Fachmann bei der technischen Realisierung einer solchen Darstellung ohne Source-Body-Kurzschluss zwangsläufig einen Kurzschluss zwischen Source und Body bereitstellen.
  • Würden die Sourcezone und die Bodyzone bei bisher bekannten MOSFETs nicht miteinander kurzgeschlossen sein, könnten sich während des Betriebs des MOSFETs, d. h. bei angelegter Flussspannung oder einer geringen Sperrspannung, Ladungsträger in der Bodyzone sammeln. Diese Ladungen würden einen Spannungsabfall zwischen Body- und Sourcezone verursachen, der den parasitären Bipolartransistor T1 bereits bei geringen Strömen über den pn-Übergang zwischen Body und Source aktivieren würde. Es kommt zu dem unerwünschten, sogenannten zweiten Durchbruch ("second breakdown", Latch-up Effekt), der meist zur Zerstörung des MOSFETs führt. Der MOSFET könnte damit nicht mehr über seinen Gateanschluss gesteuert werden. Dieser Latch-up Effekt führt letztendlich auch dazu, dass die Spannungsfestigkeit eines derartigen MOSFETs in Drain-Source- Richtung etwa nur noch 1/3 der Spannungsfestigkeit eines MOS- FET mit kurzgeschlossener Body- und Sourcezone beträgt. Der Kurzschluss zwischen Body- und Sourcezone bewirkt hingegen, dass sich Source- und Bodyzone stets auf demselben Potenzial befinden, so dass sich keine Ladungsträger in dem Substrat ansammeln können.
  • Das Kurzschließen von Source- und Bodyzone hat allerdings den Nachteil, dass der MOSFET nur noch in eine Richtung, der Drain-Source-Richtung - die üblicherweise als Vorwärtsrichtung bezeichnet wird -, sperrt, während er bei Anlegen einer Flussspannung in Source-Drain-Richtung - die als Rückwärtsrichtung bezeichnet wird - wie eine Diode (Inversdiode) leitet.
  • Bei vielen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, einen Halbleiterschalter einzusetzen, der in beide Richtungen ausreichend sperrt und zwar auch dann, wenn kein Ansteuerpotenzial anliegt. Bei den herkömmlichen MOSFETs mit Kurzschluss zwischen Source- und Bodyzone kann dies nur durch sehr aufwendige, zusätzliche Schaltungsmaßnahmen erreicht werden. In der EP 0 656 661 B1 wird hierzu vorgeschlagen, den Kurzschluss durch eine leitende Verbindung mit einem Widerstand zu ersetzen, um den Spannungsabfall über dem Bauteil bei Anlegen einer Spannung in Rückwärtsrichtung zu erhöhen.
  • Aufgrund der stark eingeschränkten Sperreigenschaften in Rückwärtsrichtung eignet sich ein MOSFET in Voll- und Halbbrückenschaltungen insbesondere bei höheren Sperrspannungen - zum Beispiel oberhalb von 250 V - nur bedingt. Bei niedrigeren Sperrspannungen sind die Schaltverluste in diesen Schaltungsanwendungen hingegen sehr hoch.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen größeren Freiheitsgrad bei der Kontaktierung von Halbleiterschichten, insbesondere bei der Kontaktierung von n- dotierten Halbleiterschichten, bereit zu stellen.
  • Ferner soll insbesondere bei Halbleiterschaltern, die durch Feldeffekt steuerbar sind, die Rückwärtssperrfähigkeit verbessert werden, ohne dass dadurch die Latch-up Festigkeit verschlechtert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Metall- Halbleiter-Kontakt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und durch eine integrierte Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 30 gelöst.
  • Demgemäss ist vorgesehen:
    • - Ein Metall-Halbleiter-Kontakt mit einer dotierten Halbleiterschicht und mit einer auf der Halbleiterschicht aufgebrachten Metallisierung, die einen ohmschen Metall- Halbleiter-Kontakt ausbilden, wobei für die Dotierung der Halbleiterschicht ein erstes Dotiermaterial mit der Eigenschaft vorgesehen ist, dass die elektrische wirksame Dotierkonzentration in der Halbleiterschicht stets ein Bruchteil der in die Halbleiterschicht eingebrachten Dotierkonzentration ist und dass eine Halbleiterschicht, die lediglich mit einem zweiten Dotiermaterial dotiert ist, welches die Eigenschaft des ersten Dotiermaterials nicht aufweist, bei einer dem Bruchteil entsprechenden eingebrachten Dotierkonzentration mit der Metallisierung einen Schottky-Kontakt ausbildet (Patentanspruch 1);
    • - ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement, bei dem die Source-Elektrode ausschließlich an eine innerhalb der Sourcezone angeordnete Halbleiterschicht angeschlossen ist (Patentanspruch 12);
    • - eine integrierte Schaltung, bei dem zwei in Halbbrückenanordnung angeordnete MOSFETs vorgesehen sind, die über ihre Laststrecken in Reihe zueinander und zwischen einem ersten Anschluss mit einem ersten Versorgungspotenzial und einem zweiten Anschluss mit einem zweiten Versorgungspotenzial geschaltet sind, wobei jedem MOSFET eine mitintegrierte Freilaufdiode zugeordnet ist, die parallel zur Laststrecke des ihr zugeordneten Halbleiterbauelementes geschaltet ist (Patentanspruch 30);
    • - ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Halbleiter- Kontaktes, bei dem nach dem Aufbringen eines Metalls für den Metall-Halbleiter-Kontakt die oberflächennahen Bereiche der Halbleiterschicht unmittelbar unter dem Metall-Halbleiter-Kontakt einer Temperaturbehandlung und/oder einem Prozess zur Erzeugung von Störstellen (Damages) unterworfen werden (Patentanspruch 31).
  • In völliger Abkehr von bisherigen Kontaktierungen wird bei der vorliegenden Erfindung ein ohmscher Metall-Halbleiter- Kontakt auf einer sehr niedrig dotierten (effektive, d. h. elektrisch aktive Dotierung) Halbleiterschicht bereitgestellt, wobei mit üblichen Dotierungen (wie zum Beispiel Phosphor) bzw. bekannten Kontaktierungen bisher lediglich Schottky- Kontakte, d. h. Kontakte mit im Wesentlichen nicht-linearen Strom-Spannungs-Kennlinien, erzielt werden konnten. Mit diesen neuen Kontakten lassen sich unter anderem neue MOSFETs und IGBTs, bei denen auf den Source-Body-Kurzschluss verzichtet wird, bereitstellen. Insbesondere bei MOSFETs kann durch eine sehr niedrige Dotierung in den Sourcezonen das Ansprechen des parasitären Bipolartransistors gezielt verhindert werden, so dass der MOSFET eine sehr hohe Latch-up Festigkeit und durch das Fehlen der Inversdiode gleichermaßen eine höhere Rückwärtssperrfähigkeit aufweist.
  • Mit der Erfindung lässt sich eine integrierte MOSFET/IGBT- Anordnung, bei der die MOSFETs und IGBTs in einem Halbleiterkörper integriert und zueinander parallel geschaltet sind, herstellen. In gleicher Weise lässt sich eine integrierte MOSFET-/Freilaufdioden-Anordnung bereitstellen. Mit diesen neuen Halbleiterbauelementen lassen sich Halbbrückenschaltungen und Vollbrückenschaltungen mit Rückwärtssperrfähigkeit (von wenigen Volt) bereitstellen. Die MOSFET-Schalter sollen rückwärts sperren, dafür sollen die optimierten Dioden rückwärts leiten.
  • Als Dotierstoffe eignen sich im Falle von zu kontaktierenden n-dotierten Schichten insbesondere Selen und Wismut, da diese Stoffe zum einen eine sehr geringe Löslichkeit in Silizium aufweisen und darüber hinaus in Silizium n-dotierend wirken. Im Falle von p-dotierten Halbleiterschichten eignet sich vor allem Palladium.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:
  • Fig. 1 in einem Teilschnitt den Aufbau eines vertikalen MOSFETs mit Kontakten nach dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 in einem vereinfachten Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall- Halbleiter-Kontaktes auf einer n-dotierten Halbleiterschicht;
  • Fig. 3 in einem vereinfachten Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall- Halbleiter-Kontaktes;
  • Fig. 4 in einem vereinfachten Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall- Halbleiter-Kontaktes;
  • Fig. 5 in einem vereinfachten Querschnitt ein viertes, sehr vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes;
  • Fig. 6 in einem vereinfachten Querschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall- Halbleiter-Kontaktes;
  • Fig. 7 in einem Teilschnitt eine erste Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes zur Kontaktierung der Sourcezonen eines vertikalen n- Kanal Leistungs-D-MOSFET;
  • Fig. 7a in einem Teilschnitt einen erfindungsgemäßen MOSFET nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation;
  • Fig. 7b in einem Teilschnitt einen in Trench-Technologie aufgebauten MOSFET nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation;
  • Fig. 8 in einem Teilschnitt eine zweite Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes zur Kontaktierung der Sourcezonen eines vertikalen n- Kanal IGBTs;
  • Fig. 9 in einem Teilschnitt eine dritte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes in einer integrierten Anordnung mit zueinander parallel geschalteten MOSFETs und IGBTs;
  • Fig. 10 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung entsprechend Fig. 9;
  • Fig. 11 in einem Teilschnitt eine vierte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes zur Kontaktierung der Kathodenzonen einer vertikalen pin-Leistungsdiode;
  • Fig. 11a die Ladungsträgerkonzentration im Durchlassbetrieb einer pin-Leistungsdiode entsprechend Fig. 11;
  • Fig. 12 in einem Teilschnitt eine fünfte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes in einer integrierten Anordnung mit einem MOSFET und parallel dazu angeordneter, mitintegrierter Freilaufdiode;
  • Fig. 13 das Ersatzschaltbild der Anordnung entsprechend Fig. 12;
  • Fig. 14 ein Schaltbild für den Einsatz eines erfindungsgemäßen MOSFETs mit integrierter Freilaufdiode in einer Brückenschaltung;
  • Fig. 15 die Löslichkeit Cs verschiedener Dotierelemente in Silizium in Abhängigkeit von der Temperatur T;
  • Fig. 16 den Diffusionskoeffizienten D verschiedener Dotierelemente in Silizium in Abhängigkeit von der Temperatur T.
  • In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Herstellung eines Kontaktes auf einer n-dotierten Halbleiterschicht, da hier die Problematik der Kontaktierung - wie eingangs ausführlich erläutert wurde - am gravierendsten und der Vorteil der Erfindung somit am größten ist. Jedoch sei die Erfindung selbstverständlich sehr vorteilhaft auch bei der Herstellung von ohmschen Kontakten auf p-dotierten oder undotierten oder auch auf polykristallinen Halbleiterschichten anwendbar.
  • Die Fig. 2 zeigt in einem vereinfachten Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterkontaktes. In der Fig. 2 ist mit 1 eine Halbleiterschicht mit einer Oberfläche 2 bezeichnet. Die Halbleiterschicht 1 besteht im vorliegenden Fall aus schwach n-dotiertem Silizium. Die Halbleiterschicht kann erfindungsgemäß beliebig ausgebildet sein, d. h. sie kann Teil eines Halbleiterkörpers sein und ihre Dotierung beispielsweise durch Epitaxie während der Kristallzucht, durch Neutronendotierung, durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt worden sein. Alternativ kann die Halbleiterschicht 1 auch den Halbleiterkörper selbst, beispielsweise eine homogen dotierte Siliziumscheibe, darstellen.
  • Die Halbleiterschicht 1 weist eine relativ niedrige Dotierungskonzentration im Bereich kleiner 1018 cm-3, insbesondere kleiner 1016 cm-3, auf. Die Dotierungskonzentration ist also so niedrig, dass bei einer Kontaktierung der Halbleiterschicht 1 nach dem Stand der Technik lediglich ein Schottky- Kontakt am Metall-Halbleiter-Übergang 4 gebildet würde. Auf die Oberfläche 2 ist eine Metallisierung 3 aufgebracht. Trotz der niedrigen Dotierung der Halbleiterschicht 1 bildet diese Metallisierung 3 erfindungsgemäß einen ohmschen Metall- Halbleiter-Übergang 3. Um dies zu gewährleisten, besteht die Metallisierung 3 aus Selen bzw. einem stark selenhaltigen Material.
  • Beim Aufbringen der Metallisierung 3 auf die Oberfläche 2 wird an der Grenzfläche 4 zwischen Metall und Halbleiter eine infinitesimal dünne, selenhaltige Dotierschicht 5 (Kreuze) gegebenenfalls durch einen Temperaturschritt erzeugt. Diese im Bereich einiger Atomlagen dicke, sogenannte Delta-Dotierschicht 5 weist zwar eine sehr hohe Selen-Konzentration auf, jedoch sind die Selenatome aufgrund ihrer geringen Löslichkeit in Silizium sowie aufgrund mangelnder elektrischer Aktivierung und Ionisation nur zu einem sehr geringen Anteil elektrisch wirksam. Die (elektrisch aktive) Dotierstoffkonzentration in der restlichen Halbleiterschicht 1 bleibt somit weitestgehend unverändert. Jedoch bewirkt diese hohe Konzentration an Selenatomen an der Grenzfläche 4, dass sich dort ein ohmscher Metall-Halbleiter-Kontakt ausbildet.
  • Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Halbleiterkontaktes.
  • Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) dient im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die Selenmetallisierung 3 gleichzeitig dazu, eine Selen dotierte Schicht 6 in der Halbleiterschicht 1 zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch einen geeigneten Eintreibeprozess, bei dem die Selenatome unter Zuhilfenahme einer vergleichsweise niedrigen Temperatur in den Halbleiterkörper eindiffundieren können, bewerkstelligt werden. Dieses Dotierverfahren, d. h. eine Belegung mit nachfolgendem Eintreibeschritt, eignet sich zur Dotierung mit Selen besonders vorteilhaft, da Selen einen im Vergleich zu üblicherweise bei n-dotierten Halbleiterschichten verwendeten Dotierstoffen wie Arsen und Phosphor sehr viel höheren Diffusionskoeffizienten aufweist (siehe Fig. 16). Aufgrund des sehr hohen Diffusionskoeffizienten von Selen lassen sich dadurch auch tiefe Selen dotierte Schichten erzeugen. Aufgrund des relativ geringen Temperaturbudgets von Selen ist der Eintreibeprozess bzw. der Diffusionsprozess zur Herstellung der Selen-dotieren Schicht auch noch relativ spät zum Prozessende hin möglich. Dies ist von Vorteil, da in diesem Prozessstadium die bestehenden Dotierungsprofile und die vergleichsweise temperaturempfindlichen dotierten SiO2- Schichten hohe Temperaturen nicht mehr zulassen. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen zur Herstellung der Selen- dotierten Schichten von typischerweise 800°C bis 900°C für zumindest einige wenige Sekunden werden die temperaturempfindlichen Dotierprofile bzw. SiO2-Schichten nicht nachteilig beeinflusst. Der ohmsche Kontakt selbst wird durch eine oberflächennahe Wechselwirkung zwischen Selen und Silizium an der Grenzfläche erzeugt. Die oberflächennahe Wechselwirkung kann durch eine lokale Schädigung des Kristalls an der Oberfläche, zum Beispiels mittels Ionenimplantation, unterstützt werden.
  • Im dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist ebenfalls eine Selen dotierte Schicht 6 in der Halbleiterschicht 1 vorgesehen, wobei die Selen-dotierte Schicht 6 hier wieder eine hohe Selen-Konzentration weit oberhalb der Löslichkeitsgrenze aufweist. Die Selen dotierte Schicht 6 kann beispielsweise durch Ionenimplantation und einen Temperaturschritt, zum Beispiel RTA, erzeugt werden. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist hier auf der Selen-dotierten Schicht 6 ein üblicherweise verwendetes Metall, beispielsweise Aluminium, als Metallisierung 3 für den Metall-Halbleiter-Kontakt 4 vorgesehen.
  • Fig. 5 zeigt ein viertes, sehr vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes 4. Hier ist die Selen dotierte Schicht 6 in einer schwach n- dotierten Halbleiterwanne 7 eingebettet, wobei die n-dotierte Wanne 7 ihrerseits in einer beliebig ausgebildeten Halbleiterschicht 1 eingebettet ist.
  • Der Kontakt 8 für die Halbleiterschicht 1 ist im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis 4 vielschichtig ausgebildet. Zum einen besteht er aus der bereits bekannten Metallisierung 3, die unmittelbar an der Grenzfläche 4 der Halbleiterschicht 1 aufgebracht ist. Daran schließt sich eine Haftschicht 9 an, die als Zwischenschicht der besseren Haftung der folgenden Schicht dient. Auf die Haftschicht 9 ist eine Diffusionsbarriereschicht 10 aufgebracht, die verhindern soll, dass die folgende Schicht 11 für die Leiterbahn in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche 2 kommt, da sonst unkontrollierbare Diffusions- und Legierungsprozesse einsetzen können. Auf die Diffusionsbarriereschicht 10 ist eine Schicht 11 für die Leiterbahn vorgesehen, die als niederohmige Schicht die eigentliche elektrische Verbindung, beispielsweise zu einem Bondpad 12, herstellt.
  • Für die Herstellung des Kontaktes 8 müssen nicht notwendigerweise alle genannten Schichten 3, 9, 10, 11 vorgesehen sein, sondern es kann je nach Anforderung auf eine oder mehrerer dieser Schichten 3, 9, 10, 11 verzichtet werden.
  • Nachfolgend wird die Wirkung der erfindungsgemäßen Selen- dotierten Schicht 6 bzw. Deltadotierung 5 in Kombination mit der entsprechenden Metallisierung 3 näher erläutert:
    Für die Kontaktierung sollte ein Dotierstoff und/oder ein Kontaktmaterial verwendet werden, das selbst dotierend wirkt und darüber hinaus metallischen Charakter aufweist. Der Dotierstoff sollte dabei denselben Leitfähigkeitstyp wie die entsprechende, zu kontaktierende Halbleiterschicht 1 aufweisen. Bei n-dotierten Halbleiterschichten eignet sich als Element insbesondere Selen, da es im Siliziumkristall sowohl als Donator wirkt als auch in seiner sogenannten "grauen Modifikation" gleichermaßen Strom leitet, d. h. metallischen Charakter zeigt. Unter "grauer Modifikation" wird eine Kristallgittermodifikation bezeichnet, die zumindest teilweise metallischen Charakter aufweist.
  • Wird nun Selen als Element verwendet - sei es für die Metallisierung (Fig. 2, 3, 5) oder für die Herstellung einer Selen-dotierten Schicht (Fig. 3 bis 5) - dann ergibt sich in der unter dem Halbleiterkontakt 3 liegenden Halbleiterschicht 1 ein ohmscher Metall-Halbleiter-Kontakt 4 schon bei einer verhältnismäßig niedrigen, elektrisch wirksamen Dotierstoffkonzentration. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass Selen mittels Ionenimplantation in Konzentrationen weit oberhalb der Sättigungslöslichkeitsgrenze in die oberflächennahen Bereiche der Halbleiterschicht 1 eingebracht wird. Zusätzlich oder alternativ kann Selen auch als dünne kompakte Schicht auf die Oberfläche aufgebracht werden. Durch Verwendung von Selen als Kontaktmaterial und/oder als Dotierelement wird die elektrisch wirksame Dotierung in dem Bereich unmittelbar unter dem Kontakt stark abgesenkt. Da dieser Bereich zumindest an der unmittelbaren Oberfläche 2 eine sehr hohe effektive Konzentration an Selenatomen aufweist, kann dennoch ein ohmscher Metall-Halbleiter-Übergang 4 erreicht werden.
  • Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Selen, welches zur Kontaktierung bzw. zur Dotierung der Halbleiterschicht 1 verwendet wird, in eben dieser Halbleiterschicht 1 eine relativ niedrige Löslichkeit aufweist. Aus Fig. 15 geht hervor, dass Selen in kristallinem Silizium eine maximale Löslichkeit von etwa 8.1016 cm-3 (bei 1200°C) aufweist. Gegenüber üblicherweise verwendeten, n-dotierenden Stoffen - zum Beispiel Arsen oder Phosphor - weist Selen somit eine etwa um den Faktor 104 niedrigere Löslichkeit in Silizium auf. Das Löslichkeits-Temperatur-Diagramm in Fig. 15 ist aus H. Schaumburg, "Halbleiter", Teubner-Verlag, Stuttgart, 1991, Bild 3.2.1-7 entnommen worden.
  • Wird Selen in einer Konzentration weit über der Löslichkeitsgrenze - beispielsweise im Bereich von größer 1019 cm-3 - in die zu kontaktierende Halbleiterschicht 1 eingebracht, dann ist die - wie eingangs ausführlich beschrieben - für die ohmsche Kontaktierung von n-dotiertem Silizium erforderliche hohe eingebrachte Selenkonzentration vorhanden. Selen weist jedoch eine Löslichkeit in Silizium auf, die nur ein Bruchteil der genannten Selenkonzentration beträgt. Dies hat zur Folge, dass eben auch nur ein solcher Bruchteil der eingebrachten Selenatome als Donatoren elektrisch wirksam sein kann.
  • Bei der Verwendung von Selen kommt vorteilhafterweise hinzu, dass Selen als Element mit unvollständiger Ionisation bekannt ist, d. h. Selen weist bei Raumtemperatur lediglich einen Ionisationsgrad von etwa 20% auf. Unter dem Ionisationsgrad wird hier der Prozentsatz der elektrisch aktiven, auf Gitterplätzen eingebauten Selenatome verstanden. Diese Besonderheit hat zur Folge, dass die Konzentration elektrisch aktiver Selenatome in Silizium bei Raumtemperatur sogar noch unterhalb der maximalen Löslichkeitsgrenze liegt.
  • Die Fig. 6 zeigt in einem vereinfachten Querschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall- Halbleiter-Kontaktes.
  • Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 2-5 enthält hier die Schicht 13 unterhalb der Metallisierung 3 keine Selendotierung. Die in der n-dotierten Wanne 7 eingebrachte n-dotierte Schicht 13 weist eine sehr hohe Dotierstoffkonzentration - beispielsweise im Bereich von 1019 bis 1021 cm-3 auf -, um dadurch einen ohmschen Kontakt zur Metallisierung 3 zu gewährleisten. Als Dotierelement kann hier jedes beliebige n-dotierende Element, beispielsweise Arsen, Phosphor, Indium und dergleichen, verwendet werden. Alternativ wäre auch denkbar, hier Selen entsprechend den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 bis 5 zu verwenden. Um die effektiv wirksame Ladungsträgerkonzentration in der stark n- dotierten Schicht 13 zu verringern, wird erfindungsgemäß die Ladungsträgerlebensdauer in diesem Gebiet drastisch reduziert. Die Reduzierung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer kann prinzipiell auf zwei unterschiedlicher Arten erfolgen:
    • 1. Beispielsweise können Schwermetalle 14 (Sterne) mit sehr hoher Dosis in die Schicht 13 eindiffundiert werden. Die im Siliziumhalbleiterkristall eingebauten Schwermetallatome 14 wirken dort als Rekombinationszentren. Zur Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer eignet sich insbesondere Platin, da es zwar die Generationsraten für Majoritätsladungsträger fast nicht beeinflusst, jedoch eine sehr hohe Rekombinationsrate bewirkt. Um eine sehr hohe Wirksamkeit der eindiffundierten Platin-Atome zu gewährleisten, sollte die Konzentration der elektrisch aktiven Platin-Ionen in der dotierten Schicht 13 mindestens so groß sein wie die Konzentration der dortigen n- dotierenden Stoffe. Gleichermaßen sollte jedoch gewährleistet werden, dass die Konzentration der Platin-Atome außerhalb der n-dotierten Schicht 13 möglichst gering ist, um die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterschicht nicht negativ zu beeinflussen.
      Die Rekombinationszentren 14 innerhalb der n-dotierten Schicht 13 können beispielsweise durch eine geeignete Vorbelegung - z. B. mittels Ionenimplantation oder einer Silizidschicht - mit einem nachfolgenden, sehr kurzen Temperaturschritt bei sehr hoher Temperatur erzeugt werden. Für diesen Eintreibeschritt eignet sich insbesondere das RTP-Verfahren (engl.: Rapid Thermal Processing), da dadurch gewährleistet werden kann, dass der Halbleiterkörper lediglich für eine sehr kurze Zeit einer definierten Temperatur unterworfen wird. Wird die Halbleiterschicht 1 und somit auch die Schicht 13 einer längeren Zeit einer Temperatur und/oder einer höheren Temperatur als vorgesehen unterworfen, dann können unerwünschter Weise die als Rekombinationszentren 14 dienenden Schwermetall-Atome auch in den übrigen Bereichen der Halbleiterschicht 1 als Rekombinationszentren wirken, was unbedingt verhindert werden sollte.
    • 2. In einem zweiten Verfahren kann die Ladungsträgerlebensdauer in der Schicht 13 auch durch bewusste Erzeugung von Kristallschäden bzw. Strahlenschäden - beispielsweise mittels Bestrahlung oder Ionenimplantation bei niedrigen Energien - definiert abgesenkt werden. Diese Kristallschäden bilden in der Schicht 13 Rekombinationszentren 14, die somit - äquivalent wie unter 1. beschrieben - eine Reduzierung der effektiven Ladungsträgerkonzentration bewirken. Kristallschäden bzw. Strahlenschäden im Siliziumkristall werden allerdings schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, wie sie bei der Montage von Halbleiterchips oder auch beim Tempern von Metallisierungen auftreten, teilweise ausgeheilt. Das bedeutet, dass die Bauelementeigenschaften sich von der fertig prozessierten Scheibe zum fertig gehäusten Halbleiterbauelement noch ändern können. Dies muss durch geschickte Prozessführung bei der Erzeugung der Kristallschäden ungedingt berücksichtigt werden, so dass gewährleistet wird, dass das fertig hergestellte Halbleiterbauelement die gewünschten Eigenschaften aufweist.
  • Fig. 7 zeigt in einem Teilschnitt eine erste Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes für die Kontaktierung der Sourcezonen eines MOSFETs. Der MOSFET ist hier als vertikaler n-Kanal Leistungs-D-MOSFET ausgebildet.
  • In Fig. 7 ist mit 20 ein Halbleiterkörper - beispielsweise eine einkristalline Siliziumscheibe - bezeichnet. Der Halbleiterkörper 20 weist eine erste Oberfläche 21, die sogenannte Scheibenvorderseite, und eine zweite Oberfläche 22, die sogenannte Scheibenrückseite, auf. Der Halbleiterkörper 20 enthält eine an die Scheibenvorderseite 21 angrenzende, schwach n-dotierte Innenzone 23. In Richtung zur Scheibenrückseite 22 grenzt eine stark n-dotierte Drainzone 24 an die Innenzone 23 an. Die Drainzone 24 ist über eine großflächig auf die Oberfläche 22 aufgebrachte Drainmetallisierung 25 mit dem Drainanschluss D verbunden.
  • An der entgegengesetzten Oberfläche 21 sind mehrere p- dotierte Bodyzonen 26 wannenförmig in die Innenzone 23eingebettet. In jeweils eine Bodyzone 26 sind eine oder mehrere schwach dotierte Sourcezonen 27 eingebettet. Die Bodyzonen 26 und Sourcezonen 27 können in bekannter Art und Weise durch Ionenimplantation oder Diffusion in den Halbleiterkörper 20 eingebracht werden. Die Bodyzonen 26 sind an der Oberfläche 21 voneinander durch eine Zwischenzone 28, die Bestandteil der Innenzone 23 ist, beabstandet. Oberhalb der Zwischenzonen 28 ist jeweils eine Gate-Elektrode 29 vorgesehen, die lateral verlaufend bis oberhalb der Sourcezonen 27 reicht. Die Gate- Elektroden 29 sind gegen die Oberfläche 21 über ein dünnes Gate-Oxid 30 isoliert. Die Bereiche der Bodyzone 26, die oberhalb der Gate-Elektroden 29 angeordnet sind, definieren somit eine Kanalzone 31, in der sich bei Anlegen eines Gate- Potenzials an den Gate-Anschluss G und einer Drain-Source- Spannung an den entsprechenden Drain- und Source-Anschlüssen D, S ein durch Ladungsinversion hervorgerufener, stromführender Kanal ausbilden kann. Ferner ist eine Source-Elektrode 32 zur Kontaktierung der Sourcezonen 27 vorgesehen, auf den nachfolgend noch näher eingegangen wird. Die Source-Elektrode 32 ist gegen die Gate-Elektrode 29 über ein Schutzoxid 33 beabstandet. Die Source-Elektrode 32 ist an der Scheibenvorderseite 21 mit einem Sourceanschluss S, die Gate-Elektrode 29 mit einem Gate-Anschluss G verbunden.
  • Die Gate-Elektroden 29 bestehen typischerweise aus Polysilizium, jedoch können sie auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus Metall oder Silizid, bestehen, wenngleich die letztgenannten Materialien herstellungstechnisch und aufgrund deren physikalischen und elektrischen Eigenschaften nicht so vorteilhaft sind wie hochdotiertes Polysilizium. Gleichsam kann für das Gate-Oxid 30 und das Schutzoxid 33 statt Siliziumdioxid (SiO2) auch jedes andere isolierende Material, beispielsweise Siliziumnitrid (Si3N4) oder auch ein Vakuum Verwendung finden, jedoch ist thermisch hergestelltes Siliziumdioxid, insbesondere bei Verwendung als Gate-Oxid 30, qualitativ am hochwertigsten und deshalb vorzuziehen.
  • Als großflächige Drainmetallisierung 25 wird typischerweise Aluminium verwendet, jedoch könnte hier auch jedes andere hochleitfähige Material, das einen guten Kontakt zum Halbleiterkörper 1 gewährleistet, verwendet werden.
  • Im Layout des Halbleiterkörpers 20 bezeichnen die mit Gate- Elektroden 29 sowie mit Bodyzonen 26 und Sourcezonen 27 bedeckten Bereiche das aus einer Vielzahl von Zellen bestehende Zellenfeld des Leistungs-MOSFETs, wobei in Fig. 7 ausschnittsweise lediglich drei Zellen dieses Zellenfeldes dargestellt sind. Jeweils eine Zelle beinhaltet einen Einzeltransistor. Die Parallelschaltung der Laststrecken der Vielzahl von Einzeltransistoren ergibt dann den Leistungs-MOSFET.
  • Im Ausführungsbeispiel in Fig. 7 weist der MOSFET erfindungsgemäße ohmsche Metall-Halbleiter-Kontakte 35 zur Kontaktierung der Sourcezonen 27 auf, wobei hier der Kontakt 35 selbst lediglich durch Schraffierung angedeutet wurde. Die Bereiche 34 mit den erfindungsgemäßen ohmschen Metall- Halbleiter-Kontakten 35 können gemäß einem in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. Die Source-Elektrode 32 für den MOSFET kontaktiert somit ausschließlich die Sourcezonen 27 und nicht mehr, wie bei bekannten MOSFET-Strukturen, auch die Bodyzone 26.
  • Nachfolgend wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kontakte bei einem MOSFET erläutert:
    Durch die Verwendung von Selen als Kontaktmaterial entsprechend einem der Ausführungsbeispiele der Fig. 2 bis 5 kann die elektrisch wirksame Dotierungskonzentration in der Sourcezone 27 des MOSFETS drastisch abgesenkt werden und die Sourcezone 27 gleichzeitig trotzdem ohmsch kontaktiert werden. Bedingt durch die Reduzierung der Dotierungskonzentration in den Sourcezonen 27 wird die Emittereigenschaft des parasitären Bipolartransistors T1 so reduziert, dass bei eingeschaltetem MOSFET ein aus der Bodyzone 26 fließender Löcherstrom seinerseits kaum eine Injektion von Elektronen von der Sourcezone 27 in die Bodyzone 26 bewirkt.
  • Der Stromverstärkungsfaktor β, der durch die Dotierungskonzentrationen in der Sourcezone 27 und Bodyzone 26 bestimmt wird, kann dadurch auf sehr geringe Werte - im Bereich von 1 bzw. darunter - auch im Normalbetrieb des MOSFET angesenkt werden. Bei derartig niedrigen Stromverstärkungsfaktoren β wird der parasitäre Bipolartransistor unter Betriebsbedingungen des MOSFET, d. h. bei angelegter Drain-Source-Spannung und einem Gate-Potenzial, praktisch nie ansprechen. Der MOSFET weist somit unter Betriebsbedingungen eine sehr hohe Latch-up Festigkeit auf. Auf den Source-Body-Kurzschluss, der der Verhinderung des Einschaltens des parasitären Bipolartransistors dient, kann somit verzichtet werden. Der MOSFET weist damit keine mitintegrierte Inversdiode zwischen Body und Drain, die allen bekannten integrierten MOSFET-Strukturen inhärent ist, mehr auf. Aufgrund des Verzichts des Kurzschlusses von Sourcezone 27 und Bodyzone 26 erhält der erfindungsgemäße MOSFET eine hohe Sperrfähigkeit auch im Rückwärtsbetrieb und behält dennoch vorteilhafterweise eine sehr große Latch-up Festigkeit.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kontaktes 35 besteht darin, dass auf den sehr aufwendigen Herstellungsprozess zur Herstellung eines Kurzschlusses zwischen Body und Source verzichtet werden kann. Dieser Herstellungsschritt stellt insbesondere bei einer MOSFET-Anordnung entsprechend Fig. 7 einen herstellungstechnisch sehr kritischen und schwierigen Prozess dar. Die so hergestellten Halbleiterbauelemente weisen also neben verbesserten elektrischen Eigenschaften darüber hinaus auch den Vorteil auf, dass sie einfacher und somit auch kostengünstiger herstellbar sind.
  • In Fig. 7 wurde die Erfindung anhand eines D-MOSFETs dargestellt. Die Erfindung sei jedoch nicht ausschließlich auf D- MOSFETs beschränkt, sondern lässt sich im Rahmen der Erfindung auf sämtliche MOSFETs erweitern. In den nachfolgenden Fig. 7a-7b wird die Erfindung anhand zwei weiterer MOS- FET-Topographien erläutert.
  • Fig. 7a zeigt ein Halbleiterbauelement, welches als n-Kanal- Leistungs-MOSFET nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation ausgebildet ist. Der MOSFET in Fig. 7a zeichnet sich gegenüber dem in Fig. 7 darin aus, dass die Innenzone 23 (Driftzone) zusätzlich eine Kompensationsschicht 36 aufweist. Die Kompensationsschicht 36, die bei einem Kompensationsbauelement die Funktion der Driftstrecke inne hat und somit der Aufnahme einer Sperrspannung dient, weist abwechselnd nebeneinander angeordnete Dotierungsgebiete 37, 38 beider Leitfähigkeitstypen, die die Kompensationsstrukturen bilden, auf. Die p-dotierten Gebiete 37 werden nachfolgend auch als Ausräumzonen bezeichnet, während die n-dotierten Gebiete 38 als Komplementärausräumzonen bezeichnet werden. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Kompensationshalbleiterbauelemente ist vielfach bekannt und beispielsweise in den US-Patenten US 5,216,275 und US 5,754,310 wie auch in der WO 97/29518, der DE 43 097 C2 und der DE 198 40 032 C1 beschrieben. Die Gegenstände dieser Druckschriften werden hiermit vollinhaltlich in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen.
  • In Fig. 7a sind die Ausräumzonen 37 und Komplementärausräumzonen 38 nicht an die rückseitige Drainzone 24 angeschlossen, dass heißt zwischen den Zonen 37, 38 ist die schwach n- dotierte Driftzone 23 angeordnet. Die Zonen 37, 38 sind somit in der Kompensationsschicht 36 mehr oder weniger floatend ausgebildet. Jedoch sei darauf hingewiesen, das diese Zonen 37, 38 selbstverständlich auch an die Drainzone 24 angeschlossen sein können. Darüber hinaus sind diese Zonen 37, 38 auf das Raster des Zellenfeldes des MOSFET justiert, jedoch wäre auch eine nicht Zellenfeld justierte Anordnung dieser Zonen 37, 38 denkbar.
  • Auf der Scheibenvorderseite 21 weist der MOSFET erfindungsgemäße Metall-Halbleiter-Kontakte 35 auf. Die Sourcezonen 27 werden hier über ein Kontaktloch mit der Source-Elektrode 32 kontaktiert. Eine Kontaktierung von Source-Elektrode 32 mit den Bodyzonen 26 zur Herstellung eines Kurzschlusses zwischen Bodyzone 26 und Sourcezone 27 ist nicht vorgesehen. Vorteilhafterweise weist die Sourcezone 27 eine geringere Dotierungskonzentration als die Bodyzone 26 auf und gewährleistet mittels der erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontakte 35 dennoch einen ohmschen Kontakt zwischen Metall 32 und Halbleiterkörper 20. Die hohe Dotierungskonzentration in den Bodyzonen 26 führt dazu, dass nahezu keine Stromverstärkung zur Source-Elektrode 32 hin existiert, wodurch eine bessere Dimensionierung des Halbleiterbauelementes möglich ist.
  • Der MOSFET in Fig. 7a weist eine weitere, jedoch nicht notwendigerweise erforderliche, aber vorteilhafte Ausgestaltung auf. Die Bodyzone 26 weist hier eine sogenannte "Retrograd Well" 39 auf. Eine derart ausgestaltete Bodyzone 26 weist eine erhöhte p-Dotierung auf, wobei das Maximum der Dotierungskonzentration in die Tiefe der Bodyzone 26 hin, dass heißt weg von der Sourcezone 27, versetzt ist. Damit weist die Kanalzone 31 eine sehr niedrige Dotierungskonzentration auf, so dass dadurch eine definierte Einsatzspannung einstellbar ist. Die übrigen Bereiche außerhalb der Kanalzone 31 weisen jedoch eine höhere Dotierungskonzentration auf, die zumindest deutlich höher ist als die Dotierungskonzentration in der Sourcezone 27, wodurch die Stromverstärkung von der Bodyzone 26 zur Source-Elektrode 32 hin minimal wird. Wesentlich ist, dass das Gebiet 39 zumindest gegenüber der Kanalzone 31 eine höhere Dotierungskonzentration aufweist. Beispielsweise weist das Gebiet 39 eine Dotierungsdosis von etwa 1014 cm-2 auf, während das Gebiet 31 eine Dotierungsdosis von etwa 1013 cm-2 aufweist.
  • Eine solche "Retrograd Well" 39 innerhalb der Bodyzone 26 lässt sich beispielsweise durch Tiefenimplantation und nachfolgender Ausheilung und/oder Diffusionsschritte erzeugen. Bei Verwendung der sogenannten Aufbautechnik, bei der sukzessive verschiedene Epitaxieschichten mit geeigneter Strukturierung und Dotierung aufeinander abgeschieden werden, könnte die höhere Dotierungskonzentration der Bodyzone 26 auch durch Flachimplantation auf der vorletzten Epitaxieoberfläche erzeugt werden. Die Ausbildung der Bodyzone 26 als Retrograd Well 39 lässt sich natürlich auch bei einer D-MOSFET-Struktur gemäß Fig. 7 einsetzen. Allerdings ist eine Bodyzone 26 mit Retrograd Well 39 besonders vorteilhaft bei Verwendung in einem MOSFET nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation, da dort durch die Struktur der Ausräumzonen 37 und Komplementärausräumzonen 38 ein Feldverlauf und Stromverlauf vorgegeben ist, der durch die besondere Struktur der Bodyzone 26 noch optimiert wird.
  • In Fig. 7b ist ein in Trench-Technologie hergestellter MOS- FET nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation dargestellt. Auf die Kompensationsschicht 36 ist eine schichtförmige Bodyzone 26, die beispielsweise mittels Epitaxie hergestellt werden kann, aufgebracht, auf der wiederum die Sourcezone 27 schichtförmig aufgebracht wurde. Der obere Bereich der Sourcezone 27 an der Scheibenvorderseite 21 ist Selen implantiert. Der MOSFET weist Trenches 60 (Gräben) auf, die von der Scheibenvorderseite 21 in die Tiefe des Halbleiterkörpers 20 bis in die Kompensationsschicht 36 hineinragen. In jeweils einem Trench 60 ist eine aus stark n-dotiertem Polysilizium ausgebildete Gate-Elektrode 61 angeordnet, die über ein Oxid 62 vom Halbleiterkörper 20 beabstandet ist.
  • Bei einem herkömmlichen in Trench-Technologie hergestellten MOSFET erfordert der Grabenkontakt zur Kontaktierung der Bodyzone sehr viel Chipfläche. Dieser Grabenkontakt ist der limitierende Faktor für eine weitere Reduzierung des Zellabstandes (Pitch). Bei dem erfindungsgemäßen Trench-MOSFET ist ein solcher Grabenkontakt nicht mehr erforderlich, da hier lediglich die Sourcezonen 27, nicht aber die Bodyzonen 26 von der Source-Elektrode 32 kontaktiert werden müssen. Die Sourcezonen 27 weisen daher großflächige, auf der Scheibenvorderseite 21 angeordnete erfindungsgemäße Metall-Halbleiter- Kontakte 35 auf. Auf diese Weise lassen sich vorteilhafterweise die Trenches 60 sehr viel enger aneinander anordnen, was letzten Endes einen geringeren Pitch und somit eine signifikante Chipflächeneinsparung bei gleicher Leistungsfähigkeit des MOSFETs ermöglicht.
  • Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Metall-Halbleiterkontakte in MOS-Strukturen entsprechend den in Fig. 7, 7a und 7b gezeigten ergibt sich der grundsätzliche Vorteil, dass die Sourcezone 27 mit konventionellen Dotierstoffen mit niedrigen Diffusionskanten hergestellt werden kann. Der eigentliche Kontakt kann dann nachträglich, bei bereits geöffneten Kontaktloch erfolgen, indem in das offene Kontaktloch Selen mit niedriger Energie und der entsprechenden Implantationsdosis implantiert wird. Anschließend erfolgt noch ein Temperaturschritt (beispielsweise mittels RTA) bei dem die implantierte Selendosis ausgeheilt und elektrisch aktiviert wird.
  • Fig. 8 zeigt in einem Teilschnitt eine zweite Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes zur Kontaktierung der Sourcezonen eines vertikalen n-Kanal-IGBTs.
  • Der IGBT in Fig. 8 unterscheidet sich von dem Leistungs- MOSFET entsprechend Fig. 7 im Wesentlichen dadurch, dass die bei dem Leistungs-MOSFET an der Scheibenrückseite 22 angeordnete stark n-dotierte Drainzone 24 nunmehr als schwach p- dotierte Anodenzone 40 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist auch die Innenzone 23, die Bodyzone 26, insbesondere aber die Sourcezone 27 schwach n- bzw. p-dotiert. Ferner wird hier der Sourceanschluss S als Kathodenanschluss K und der Drainanschluss D als Anodenanschluss A bezeichnet.
  • Bei einem IGBT ist die Latch-up Gefahr aufgrund seiner Vier- Schicht-Struktur und den bei jedem Abschalten zur Sourcezone 27 hin fließenden Löcherstrom ungleich größer als bei einem MOSFET. Auch hier mussten die Bodyzonen bislang stets sehr hoch dotiert werden, was besonders niederohmige Schichten zum Ableiten von Löcherströmen zum Kathodenkontakt hin erfordert. Diese Maßnahmen sind erforderlich, da IGBTs bei gleicher Spannungsklasse mit deutlich höheren Stromdichten als MOSFETs betrieben werden. Die Rückwärtssperrfähigkeit, die bei IGBTs durch den pn-Übergang zwischen der Anodenzone 40 und der Innenzone 23 bereits gegeben ist, wird durch den fehlenden Kurzschluss zwischen Bodyzone 26 und Sourcezone 27 noch erhöht.
  • Fig. 9 zeigt eine dritte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes 35 in einer integrierten Anordnung mit zueinander parallel geschalteten MOSFETs und IGBTs.
  • Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 1, bei dem jeweils ein aus zwei Zellen (linke Zellen) bestehender MOSFET in der Ausgestaltung entsprechend Fig. 7 sowie ein aus einer einzelnen Zelle (rechte Zelle) bestehender IGBT in der Ausgestaltung entsprechend Fig. 8 in einem Halbleiterkörper 1 integriert sind. Diese integrierte Anordnung weist eine an die Oberfläche 22 angrenzende, stark n-dotierte Drainzone 24 und eine davon beabstandete, schwach p-dotierte Anodenzone 40 auf. Die beiden Zonen 24, 40 werden jeweils von derselben Elektrode 25 kontaktiert. Die Drainzone 24 und/oder die Anodenzone 40 können beispielsweise durch getrennte Ionenimplantationen bei geringeren Energien über die Scheibenrückseite 22 erzeugt werden. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Anodenzonen 40 ist eine Frage der Dimensionierung der beiden Halbleiterbauelemente (IGBT, MOSFET) dieser Abstand ist erforderlich, damit der IGBT ausreichend definiert zündet. In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung ist die Innenzone 23 sehr schwach (n-) dotiert. Zwischen dieser schwach dotierten Innenzone 23 und der Drainzone 24 bzw. Anodenzone 40 ist eine weitere n-dotierte Schicht 23' angeordnet. Diese Zone 23' ist als n-dotierte Feldstoppzone ausgebildet.
  • Die beiden Halbleiterbauelemente weisen eine im Wesentlichen ähnliche Topologie auf, so dass für die Herstellung der übrigen Strukturen - wie zum Beispiel der Bodyzonen 26, Sourcezonen 27, Gate-Oxid 30, Gate-Elektroden 29, Source-Elektroden 32, etc. - im Wesentlichen die gleichen bzw. ähnliche Technologieprozesse verwendet werden können.
  • Durch die Integration eines MOSFETs und eines IGBTs entsprechend Fig. 9 lässt sich ein neues, integriertes Halbleiterbauelement bereitstellen, welches im Ersatzschaltbild eine Parallelschaltung eines MOSFETs und eines IGBTs darstellt. Dieses neue Halbleiterbauelement konnte bislang lediglich auf sehr aufwendige Weise diskret zur Verfügung gestellt werden. Der besondere Vorteil des neuen IGBT/MOSFET-Halbleiterbauelementes besteht darin, dass es die Vorteile eines MOSFETs und eines IGBTs miteinander vereinigt.
  • Dies wird aus der vereinfachten Strom-Spannungs-Kennlinie entsprechend Fig. 10 ersichtlich. Die Kennlinie eines einzelnen MOSFET ist in Fig. 10 mit (a) und die Kennlinie eines einzelnen IGBT mit (b) bezeichnet. Ein MOSFET eignet sich üblicherweise für niedrige Spannungen, während ein IGBT, der im Vergleich zum MOSFET eine höhere Stromtragfähigkeit aufweist, eher für hohe Spannungen und Stromdichten ausgelegt ist. Das erfindungsgemäße neue IGBT/MOSFET-Halbleiterbauelement weist in etwa eine Kennlinie entsprechend Kurve (c) auf. Entsprechend dieser Kennlinie trägt der MOSFET im Normalbetrieb, d. h. bis zu einer Spannung U0, nahezu den gesamten Strom. Bei sehr hohen Strömen übernimmt der IGBT zunehmend den Strom vom MOSFET. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Leistungsverluste, die bei einem MOSFET mit zunehmenden Stromdichten ebenfalls stark zunehmen, hier durch das Einschalten des IGBTs deutlich verringert werden. Dieser Vorteil tritt insbesondere bei Hochspannungs-Bauelementen deutlicher in Erscheinung.
  • Der beschriebene MOSFET mit monolithisch integriertem IGBT besitzt im Gegensatz zu bisher bekannten IGBT-Strukturen mit Emitter-Kurzschlüssen (sogenannte "Emitter-Shorts") im p- dotierten Rückseitenemitter eine nicht zu vernachlässigende Rückwärtssperrfähigkeit.
  • Die Kurven in Fig. 10 sind selbstverständlich sehr stark vereinfacht worden; die reale Kenlinie weist typischerweise keinen Knick bei der Spannung U0, sondern ein kontinuierlichen Übergang auf.
  • Fig. 11 zeigt in einem Teilschnitt eine vierte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes zur Kontaktierung der Kathodenzone einer pin-Leistungsdiode.
  • Die pin-Leistungsdiode besteht aus einem Halbleiterkörper 20 mit zwei Oberflächen 21, 22. An eine Oberfläche 22 grenzt eine p-dotierte Anodenzone 41, die großflächig über einen Anodenkontakt 42 kontaktiert ist, an. An der gegenüberliegenden Seite grenzt eine schwach n-dotierte Zone 43 an die Anodenzone 41. Daran schließt sich eine schwach n-dotierte Kathodenzone 44 an. Die Kathodenzone 44 wird an der anderen Oberfläche 21 durch einen erfindungsgemäßen ohmschen Metall- Halbleiter-Kontakt 35, der hier lediglich schraffiert dargestellt ist, kontaktiert. Der Kontakt 35 kann hier wieder entsprechend einem der Ausführungsbeispiele 2 bis 6 ausgebildet sein.
  • Statt der Verwendung einer schwach n-dotierten Zone 42 (ν- Dotierung) könnte diese auch schwach p-dotiert (π-Dotierung) sein oder eine intrinsische Dotierungskonzentration aufweisen. Die erfindungsgemäßen Kontakte 35 lassen sich so auf beliebige ausgestalteten Diodenstrukturen - beispielsweise Schottky-Dioden, pn-Dioden und dergleichen - gleichermaßen sehr vorteilhaft anwenden.
  • Herkömmliche pin-Dioden bestehen typischerweise aus einer p- dotierten Anode auf einem n-dotierten Grundmaterial, an das sich die Kathode anschließt. Genau genommen handelt es sich hierbei also um eine pn-n-Diode, die technisch mehr verbreitet ist. Zur Reduktion der Schaltverlustleistungen einer solchen pin-Diode ist es erforderlich, das im Durchlassbetrieb der Diode die Ladungsträgerüberschwemmung zur Kathode hin, die meist auch die Rückseite des Halbleiterkörpers bildet, zumindest nicht ansteigt bzw. im Idealfall sogar geringfügig abfällt. Weitere Randbedingungen bei dem Design einer solchen pin-Diode machen es erforderlich, dass die Grunddotierung in der Innenzone der pin-Diode niedrig und die elektrisch aktive Dicke des Halbleiterkörpers gering sind. Um eine solche pin- Diode zu realisieren, war bislang eine zur Kathode bzw. Rückseite hin erhöhte Dotierungskonzentration, in der das elektrische Feld abgebaut wird, erforderlich. Die Dotierungskonzentration dieser Zonen, die beispielsweise als Feldstoppzonen oder Bufferzonen ausgebildet sein können, sind daher so dimensioniert, dass die Ladung gerade über der Durchbruchsladung liegt. Die Dotierungskonzentration der kathodenseitigen Emitterzone muss dementsprechend schwach sein.
  • Die Realisierung solcher pin-Dioden war bislang lediglich mit Epitaxiegrundmaterial möglich oder mit entsprechenden Feldstopptechnologien und einem Rückseitenemitter, der durch geeignete Maßnahmen in seiner Wirksamkeit reduziert wurde. Im Falle der Verwendung von Epitaxiegrundmaterial konnte dies nur dadurch erreicht werden, dass eine tiefe, lokale Bestrahlung zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer vorgenommen wurde.
  • Mittels erfindungsgemäßer Metall-Halbleiterkontakte 35 lassen sich erfindungsgemäß pin-Dioden entsprechend Fig. 11 bereitstellen, die so dimensioniert sind, dass sie auch ohne Mittel zur Lebensdauerabsenkung im Durchlassfall eine niedrige Überschwemmung mit Ladungsträgern in der Innenzone aufweisen. Dies sei nachfolgend anhand des in Fig. 11a gezeigten Diagramms näher erläutert. Fig. 11a zeigt eine bekannte Ladungsträgerkonzentration n = p (gestrichelte Kurve) bei einer pn-n-Diode im Durchlassbetrieb. Dabei wurde ein konventioneller schwacher Rückseitenemitter, bei dem keine Mittel zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer vorgenommen wurde, verwendet. Die Abszisse zeigt die Elektronen- bzw. Löcherdichte n = p in linearem Maßstab. Der Unterschied zwischen beiden ist nicht zu erkennen, da die Überschwemmungsladung die Grunddotierung um mehr als den Faktor 50 übersteigt. Die gepunktete Linie zeigt die Grunddotierung NA, ND. Die durchgezogene Linie NZiel bezeichnet die angestrebte Ladungsträgerverteilung im Durchlassbetrieb, die von der p--dotierten Scheibenvorderseite (x = 0 µm) zur schwach n-dotierten Scheibenrückseite (x > 120 µm) leicht abfällt. Der Aufhängepunkt dieser Gerade, d. h. der Schnittpunkt mit der Abszisse wird von der Dotierungskonzentration des jeweiligen Emitters bestimmt. Die Dimensionierung eines Halbleiterbauelementes entsprechend Fig. 11a kann selbstverständlich in geeigneter Weise an die jeweils gewünschte Sperrspannung angepasst werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird der Rückseitenemitter sowie die Feldstoppzone mit einer einzigen Selenimplantation mit nachfolgendem Temperaturprozess erzeugt. Die Selenimplantation wird bei einer sehr hohen Selenimplantationsdosis in den Halbleiterkörper eingebracht. Der nachfolgende Temperaturschritt erfolgt beispielsweise mittels RTA (rapid thermal annealing). Dadurch wird gewährleistet, dass der Wirkungsgrad des über die Selenimplantation erzeugten, n-dotierten Emitters wesentlich niedriger ist als entsprechende, mit gleicher Implantationsdosis hergestellte konventionelle Emitter, die beispielsweise Phosphor oder Arsen implantiert sind. Aufgrund seines hohen Diffusionskoeffizienten (siehe Fig. 16) diffundieren die Selen-Atome während des Temperaturprozesses um etwa 1-5 µm aus dem n-Emitter aus und liefern damit automatisch die erforderliche Feldstoppzone.
  • Fig. 11a zeigt das Dotierungs- und Ladungsträgerprofil einer solchen Diode, wobei mit 41 die Anodenzone, mit 43 die schwach n-dotierter Zone und mit 45 die Feldstoppzone bezeichnet ist. Die Kathodenzone 44, die den n-Emitter bildet, ist in Fig. 11a nicht dargestellt, schließt sich jedoch der Feldstoppzone 45 an. Die Feldstoppzone 45 weist in Fig. 11a eine Dicke d = 120 µm - 100 µm = 20 µm auf. Die Dicke d der Feldstoppzone 45 ist aber viel zu gering, um das Schaltverhalten der pin-Diode merklich zu beeinflussen, dass heißt um ein hier unerwünschtes "softes Schaltverhalten" zu bewirken.
  • Der besondere Vorteil dieser Applikation besteht auch darin, dass zur Herstellung des n-dotierten Emitters und der Feldstoppzone 45 lediglich ein einziger Implantationsschritt vorgenommen werden muss und keine weiteren Maßnahmen zur Reduzierung des Wirkungsgrades des Rückenemitters erforderlich sind. Die Gesamtmenge der Ladungsträger in der Feldstoppzone 45 kann über die Temperatur des RTA-Temperaturprozesses sowie über die Löslichkeit der Selen-Atome definiert eingestellt werden. Damit lassen sich pin-Dioden mit einer sehr niedrigen Speicherladung bei einer geringen Chipdicke bereitstellen, die dennoch ein sehr gutes Sperrverhalten aufweisen. Typische Selenimplantationsdosen zur Herstellung des Rückseitenemitters 44 und der Feldstoppzone 45 liegen im Bereich zwischen 1013 bis 1016 cm-2. Der Temperaturprozess wird typischerweise bei Temperaturen im Bereich zwischen 950°C und 1200°C vorgenommen, wobei die Plateauzeiten für diesen Temperaturschritt im Bereich von einer Sekunde bis zwei Minuten liegen.
  • Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass im oberflächennahen Bereich der Scheibenrückseite eine erhöhte Dichte an Siliziumdefekten vorliegt, die zudem die Realisierung eines ohmsch ausgebildeten Metall-Halbleiter-Kontaktes zwischen dem n-dotierten Halbleiterkörper und der Metallisierung begünstigen. Die grundlegende Idee der Verwendung erfindungsgemäßer ohmscher Halbleiter-Metall-Kontakte besteht darin, dass diese beim Einsatz bei einer pin-Leistungsdiode den Wirkungsgrad des n-Emitters derart absenken, das dieser niedriger ist als der Wirkungsgrad des p-Emitters. Es lassen sich dadurch ohmsche Kontakte auf n-dotiertem Halbleitermaterial herstellen, wodurch ein höherer Freiheitsgrad in der Dimensionierung einer solchen pin-Leistungsdiode möglich wird. Auf diese Weise lassen sich bezüglich der Abschaltverluste optimierte Dioden herstellen.
  • Fig. 12 zeigt in einem Teilschnitt eine fünfte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes in einer integrierten Anordnung eines MOSFETs und einer parallel dazu angeordneten Freilaufdiode. Der MOSFET (zwei linken Zellen) ist hier entsprechend Fig. 7 ausgebildet, während die Freilaufdiode (rechte Zelle) einen gegenüber Fig. 11 abgewandelten Aufbau zeigt.
  • Bei der MOSFET/Freilaufdioden-Anordnung entsprechend Fig. 12 wird die Kathodenzone 44 und der Kathodenkontakt der Freilaufdiode durch die Innenzone 23 bzw. die Drainzone 24 gebildet. Der Drainanschluss D bildet somit gleichermaßen den Kathodenanschluss K. Zur Herstellung der p-dotierten Anodenzone 41 kann vorteilhafterweise derselbe Prozess zur Herstellung der p-dotierten Bodyzonen 26 herangezogen werden. Die Anodenzone 41 wird mittels eines Kontaktloches kontaktiert. Als Anodenkontakt A dient gleichermaßen die Source-Elektrode 32.
  • Da die Sourcezonen 27 mittels erfindungsgemäßer ohmscher Metall-Halbleiter-Kontakte 35 kontaktiert sind, kann auf einen Kurzschluss zwischen Bodyzone 26 und Sourcezone 27 verzichtet werden. Die Bodyzone 26 kann dennoch sehr niedrig dotiert werden, ohne dass die Gefahr eines Latch-up Effektes in Kauf genommen werden müsste. Da die Bodyzonen 26 und somit auch die Anodenzone 41 sehr niedrig dotiert sind, lässt sich die Freilaufdiode nunmehr in den Halbleiterkörper 20 mitintegrieren.
  • Die parasitäre MOSFET-Diode, die durch den Kurzschluss zwischen Bodyzone und Sourcezone 26, 27 typischerweise vorhanden ist, führt üblicherweise aufgrund der hohen Dotierung in der Basiszone 26 und des dadurch sehr starken Wirkungsgrades des Anodenemitters zu einer hohen Ladungsträgerüberschwemmung in der Innenzone 23. Aufgrund dieser hohen Ladungsträgerüberschwemmung wies eine mitintegrierte Freilaufdiode bislang hohe Abschaltverluste und zudem ein ungünstiges Schaltverhalten auf. Durch den erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontakt kann die Bodydotierung relativ niedrig dimensioniert werden, was nunmehr zu einer relativ niedrigen Überschwemmung von Ladungsträgern führt. Dadurch lassen sich aber vorteilhafterweise Freilaufdioden in den Halbleiterkörper eines Leistungs- MOSFETs mitintegrieren. Aus Kostengründen ist diese Applikation insbesondere bei sehr kleinen Chips besonders interessant.
  • Bei Abwandlung des MOSFETs als IGBT entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 lässt sich die Freilaufdiode auch in ein IGBT-Halbleiterbauelement mitintegrieren.
  • Bei bisher bekannten MOSFETs bzw. IGBTs konnte die hierfür erforderliche Freilaufdiode typischerweise nicht integriert werden, sondern musste diskret bereitgestellt werden. Dies lag unter anderem daran, dass für die jeweiligen Bauelemente eine unterschiedliche Technologie erforderlich war. Darüber hinaus hatte die von der Diode abgestrahlte Diodenwärme eine negative Rückwirkung auf die elektrischen Eigenschaften des MOSFETs bzw. des IGBTs. Aus diesem Grunde müssen bei bisher bekannten Topographien eine in einem Halbleiterkörper mit MOSFET bzw. IGBT mitintegrierte Freilaufdiode einen sehr großen lateralen Abstand zu diesen Bauelementen aufweisen, so dass sich hier aus der Integration keine Chipflächen- Einsparung ergibt.
  • Dadurch, dass die erfindungsgemäßen IGBTs bzw. MOSFETs nunmehr eine Rückwärtssperrfähigkeit aufweisen, lässt sich nun auch eine hinsichtlich ihres Schaltverhaltens optimierte Freilaufdiode mitintegrieren. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in einer signifikanten Chipflächen-Einsparung sowie einer einfachen Herstellbarkeit und Montage dieser Halbleiterbauelemente.
  • Fig. 13 zeigt das Ersatzschaltbild einer Anordnung entsprechend Fig. 12. Das Schaltbild zeigt den MOSFET 50, der mit seiner Laststrecke zwischen einem ersten Anschluss 54 mit einem ersten Versorgungspotenzial Vdd und einem zweiten Anschluss 55 mit einem zweiten Versorgungspotenzial GND angeordnet ist. Der erfindungsgemäße MOSFET 50 weist gegenüber bisher bekannten MOSFETs, die einen Body-Source-Kurzschluss aufweisen, keine Inversionsdiode zwischen seinem Source- und Drainanschluss S, D auf. Parallel zur Laststrecke des MOSFETs und somit ebenfalls zwischen den Anschlüssen 54, 55 ist die optimierte Freilaufdiode 52 angeordnet.
  • Optional könnte ein Widerstand 58 in der Schaltungsanordnung in Fig. 13 vorgesehen sein. Der Widerstand 58 könnte beispielsweise eine Polysilizium-Widerstandsstrecke sein. Besonders vorteilhaft lässt sich dieser integrierte Widerstand 58 bei einem MOSFET 50, der ein Streifenzellendesign aufweist, integrieren. Aus Stabilitätsgründen sollte dieser Widerstand 58 hochohmig ausgebildet sein, dass heißt einen geringen Leitwert aufweisen, um so einen geringen Strom zu führen. Eine solche Schaltungsanordnung würde zwar zu geringfügigen Rückwärtsströmen führen, jedoch sind diese verglichen zum Vorwärtsstrom vernachlässigbar gering.
  • Dieser integrierte Widerstand 58 ist zwischen dem Anschluss der Bodyzone B und dem Anschluss für die Sourcezone S angeordnet. Der integrierte Widerstand 58 wird im Wesentlichen durch das Halbleitermaterial in der Bodyzone 26 gebildet.
  • Fig. 14 zeigt ein Schaltbild für den Einsatz erfindungsgemäßer MOSFETs mit integrierter Freilaufdiode in einer Halbbrückenschaltung. Die Halbbrückenschaltung besteht hier aus zwei Rückwärts sperrende und Latch-up-feste MOSFETs 50, 51, die beispielsweise entsprechend Fig. 7 ausgestaltet sein können. Die Drain-Source-Laststrecken der beiden MOSFETs 50, 51 sind in Reihe geschaltet und zwischen den Anschlüssen 54, 55 angeordnet. Die beiden MOSFETs 50, 51 lassen sich über ihre Gate- Anschlüsse G steuern. Am Mittelabgriff 57 der Laststrecken der MOSFETs 50, 51 ist das Ausgangssignal Vout der Halbbrückenanordnung abgreifbar. Parallel zu den Laststrecken der beiden MOSFETs 50, 51 ist jeweils eine in der Topologie der MOSFETs 50, 51 mitintegrierte oder in einem zweiten Chip parallel angeordnete Freilaufdiode 52, 53 angeordnet. Diese Freilaufdioden 52, 53 können im Falle einer Hochvoltanwendung beispielsweise als pin-Leistungsdiode entsprechend Fig. 11 oder im Falle einer Niedervoltanwendung auch als eine in den Figuren nicht dargestellte Schottky-Diode ausgebildet sein. Diese Anordnung ist insbesondere bei sehr großen Halbleiterchips sehr interessant. Bei heutigen Niedervolt-MOSFETs müssen die Freilaufdioden als Schottky-Dioden ausgeführt werden. Mit den oben beschriebenen, Rückwärts sperrenden MOSFETs können auch deutlich kostengünstigere pn- bzw. pin-Dioden zum Einsatz kommen.
  • In allen vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde als Kontaktstoff für die Metallisierung 3 bzw. als Dotierstoff für die n-dotierte Schicht 6 jeweils Selen verwendet. Selen eignet sich - wie bereits erwähnt - aufgrund seiner sehr niedrigen Löslichkeit in Silizium sowie aufgrund seines sehr hohen Diffusionskoeffizienten in Silizium besonders vorteilhaft. Jedoch sei darauf hinzuweisen, dass anstelle von Selen auch andere Elemente, die zumindest teilweise ähnlich gute Diffusionskoeffizienten und Löslichkeiten in Silizium aufweisen und die zugleich in Silizium als Dotierstoff wirken, verwendet werden können. Wesentlich ist lediglich, dass diese Stoffe in dem zu kontaktierenden Halbleiterkörper möglichst dotierend wirken und zugleich einen metallischen oder metallähnlichen Charakter aufweisen. Darüber hinaus sollten diese Stoffe eine im Vergleich zu herkömmlichen Dotierstoffen sehr viel geringere Löslichkeit aufweisen und darüber hinaus einen möglichst guten Diffusionskoeffizienten haben.
  • Statt Selen könnte daher auch Wismut, welches ebenfalls ein n-dotierender Stoff in Silizium ist, verwendet werden. Darüber hinaus weist Wismut eine sehr niedrige Löslichkeit (kleiner 8.1017 cm-3 bei 1300°C) sowie einen verhältnismäßig hohen Diffusionskoeffizienten auf (siehe Fig. 15, 16).
  • Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf Metall-Halbleiter- Kontakte 35 auf n-dotierten Halbleiterschichten 1, 27 beschränkt. Vielmehr können durch geeignete Stoffe und Verfahren Metall-Halbleiter-Kontakte 35 auf p-dotierten Halbleiterschichten in äquivalenter Weise modifiziert werden, jedoch ist die Auswirkung der Erfindung bei Metall-Halbleiter- Kontakten 35 auf n-dotierten Halbleiterschichten 1 besonders vorteilhaft. Durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p sowie durch Modifizierung der Dotierstoffkonzentrationen lassen sich beliebig viele, ggf. gleichsam vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der Erfindung bereitstellen.
  • In allen Ausführungsbeispielen der Figuren wurden jeweils vertikal ausgebildete Halbleiterbauelemente dargestellt. Die Erfindung sei jedoch nicht ausschließlich auf vertikale Topologien begrenzt, sondern lässt sich sehr vorteilhaft auch auf laterale Halbleiterbauelemente oder Halbleiterbauelemente mit Grabenstrukturen erweitern.
  • In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung anhand von MOSFETs, IGBTs und Dioden erläutert. Jedoch lassen sich die erfindungsgemäßen Kontakte bei allen beliebigen Halbleiterbauelementen - beispielsweise bei Thyristoren, GTOs, JFETs, Bipolartransistoren und dergleichen - einsetzen.
  • Darüber hinaus wurde die Erfindung im Wesentlichen anhand von Leistungshalbleiterbauelementen beschrieben, jedoch wäre hier selbstverständlich auch eine Anwendung bei Niedervolt- oder Smart-Power-Halbleiterbauelementen denkbar.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch Verwendung von Dotierstoffen wie Selen, Wismut und Palladium als Dotierstoff bzw. als Metallisierung in völliger Abkehr von bekannten Halbleiterkontakten ohmsche Kontakte bei weitaus geringeren Dotierungskonzentrationen bereitgestellt werden können.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung so dargelegt, um das Prinzip der erfindungsgemäßen Kontakte und deren praktischen Anwendung bestmöglich zu erklären, jedoch lässt sich die vorliegende Erfindung selbstverständlich im Rahmen des fachmännischen Handelns und Wissens in geeigneter Weise abwandeln. Bezugszeichenliste 1 (n-dotierte) Halbleiterschicht
    2 Oberfläche
    3 Metallisierung
    4 ohmscher Metall-Halbleiter-Übergang/Kontakt
    5 Deltadotierung
    6 Selen dotierte Schicht
    7 Wanne
    8 Kontakt
    9 Haftschicht
    10 Diffusionsbarriereschicht
    11 Leiterbahn
    12 Bondpad
    13 Schicht
    14 Rekombinationszentren, Platinionen
    20 Halbleiterkörper
    21 erste Oberfläche, Scheibenvorderseite
    22 zweite Oberfläche, Scheibenrückseite
    23 Innenzone
    23' Feldstoppzone
    24 Drainzone
    25 Drain-Elektrode, Drainmetallisierung
    26 Bodyzone
    27 Sourcezone
    28 Zwischenzone
    29 Gate-Elektrode
    30 Gate-Oxid
    31 Kanalzone
    32 Source-Elektrode
    33 Schutzoxid
    34 Bereich
    35 ohmscher Metall-Halbleiter-Kontakt
    36 Kompensationsschicht
    37 Ausräumzone
    38 Komplementärausräumzone
    39 Bodyzonenbereich mit hoher Dotierungskonzentration (Retrograd Well)
    40 Anodenzone
    41 Anodenzone
    42 Anodenelektrode
    43 i-, ν- bzw. π-Zone
    44 Kathodenzone
    45 Feldstoppzone
    50, 51 MOSFETs
    52, 53 Freilaufdioden
    54, 55 Anschlüsse
    57 Mittelabgriff
    58 (Polysilizium-)Widerstand
    60 Trench, Graben
    61 Gateelektrode
    62 Oxid
    A Anodenanschluss
    B Bodyanschluss
    D Drainanschluss
    G Gate-Anschluss
    K Kathodenanschluss
    S Sourceanschluss
    GND zweites Versorgungspotenzial, Bezugspotenzial
    T1 parasitärer Bipolartransistor
    U0 (Grenz)Spannung
    Vdd erstes (positives) Versorgungspotenzial
    Vout Ausgangssignal
    N Ladungsträgerdichte
    d Dicke der Feldstoppzone
    x Tiefe des Halbleiterkörpers

Claims (31)

1. Metall-Halbleiter-Kontakt
mit einer dotierten Halbleiterschicht (1) und mit einer auf der Halbleiterschicht (1) aufgebrachten Metallisierung (3), die einen ohmschen Metall-Halbleiter-Kontakt (35) ausbilden,
wobei für die Dotierung der Halbleiterschicht (1) ein erstes Dotiermaterial mit der Eigenschaft vorgesehen ist, dass die elektrische wirksame Dotierkonzentration in der Halbleiterschicht (1) stets ein Bruchteil der in die Halbleiterschicht (1) eingebrachten Dotierkonzentration ist und
dass eine Halbleiterschicht (1), die lediglich mit einem zweiten Dotiermaterial dotiert ist, welches die Eigenschaft des ersten Dotiermaterials nicht aufweist, bei einer dem Bruchteil entsprechenden eingebrachten Dotierkonzentration mit der Metallisierung (3) einen Schottky-Kontakt ausbildet.
2. Metall-Halbleiter-Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halbleiterschicht (1) Rekombinationszentren (14) vorgesehen sind, die die effektive Ladungsträgerlebensdauer reduzieren.
3. Metall-Halbleiter-Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationszentren (14) durch Schwermetallatome, insbesondere Platinatome, gebildet sind.
4. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dotierstoff ein dotierendes Element mit einer Dotierungskonzentration weit über dessen Löslichkeitsgrenze in der Halbleiterschicht (1) eingebracht ist.
5. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (3) ein dotierendes Element aufweist, welches beim Aufbringen der Metallisierung (3) auf die Halbleiterschicht (1) eine einige Atomlagen dicke Schicht (5) in der Halbleiterschicht (1) ausbildet, die dieses dotierende Element enthält.
6. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (3) ein dotierendes Element aufweist, welches einen hohen Diffusionskoeffizenten in der Halbleiterschicht (1) aufweist und welches beim Aufbringen der Metallisierung (3) auf die Halbleiterschicht (1) und bei Temperaturbeaufschlagung eine dotierte Schicht (6) in der Halbleiterschicht (1) ausbildet.
7. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass das dotierende Element für die Metallisierung (3) und/oder für die Halbleiterschicht (1) ein metallisches oder halbmetallisches Element ist, welches in der Halbleiterschicht (1) dotierend wirkt und welches eine im Vergleich zu herkömmlichen Dotierstoffen gleichen Leitfähigkeitstyps sehr viel geringere Löslichkeit in der Halbleiterschicht (1) aufweist.
8. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass als dotierendes Element im Falle einer n-dotierten Halbleiterschicht (1) Selen und/oder Wismut und im Falle einer p- dotierten Halbleiterschicht (1) Palladium vorgesehen ist.
9. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration in der Halbleiterschicht (1) im wesentlichen durch die dotierenden Elemente gebildet ist und die dotierenden Elemente in der Halbleiterschicht (1) in einer Konzentration weit über deren Löslichkeitsgrenze vorgesehen sind.
10. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch wirksame Dotierstoffkonzentration von weniger als 1018 cm3, insbesondere weniger als 1016 cm-3, aufweist.
11. Metall-Halbleiter-Kontakt nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (1) n-dotierende Majoritätsladungsträger aufweist.
12. In einem Halbleiterkörper (1) angeordnetes, durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement,
mit mindestens einer Sourcezone (27) und mit mindestens einer Drainzone (23, 24) vom jeweils ersten Leitungstyp,
mit mindestens einer, jeweils zwischen Sourcezone (27) und Drainzone (23, 24) angeordneten Bodyzone (26) vom zweiten Leitungstyp,
mit mindestens einer Gate-Elektrode (29), über die bei Anlegen eines Gate-Potenzials an die Gate-Elektrode (29) ein stromführender Kanal (31) in der Bodyzone (26) ausbildbar ist,
mit mindestens einer Source-Elektrode (32) zur ohmschen Kontaktierung der Sourcezone (27),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Source-Elektrode (32) ausschließlich an eine innerhalb der Sourcezone (27) angeordnete Halbleiterschicht angeschlossen ist.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Elektrode (32) und/oder die Sourcezonen (27) Mittel aufweisen, die die Wirkung des Emitters eines dem Halbleiterbauelement inhärenten, parasitären Bipolartransistors (T1) verringern.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Elektrode (32) einen Metall-Halbleiterkontakt (35) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sourcezonen (27) eine elektrisch aktive Dotierkonzentration von weniger als 1017 cm-3, insbesondere weniger als 1015 cm-3, aufweisen.
16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (26) mindestens eine Kanalzone (31) und mindestens eine von der Kanalzone (31) beabstandete hochdotierte Zone (39) des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die hochdotierten Zonen (39) eine höhere Dotierkonzentration als die übrigen Bereiche der Bodyzone (26) und der Kanalzone (31) aufweisen.
17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement ist.
18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement mindestens einen Graben (60) aufweist, in dem jeweils mindestens eine Gateelektrode (61) eingebettet ist.
19. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation arbeitendes Bauelement ist.
20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine zwischen den Bodyzonen (26) und Drainzonen (24) angeordnete Kompensationsschicht (36) aufweist, die nebeneinander angeordnete Ausräumzonen (37) des zweiten Leitungstyps und Komplementärausräumzonen (38) des ersten Leitungstyps aufweist.
21. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diode vorgesehen ist, bei der die Ladungsträgerkonzentration im Durchlassfall von einer Anodenzone (41) bis zu einer Kathodenzone (43, 44, 45) hin sukzessive abnimmt.
22. Halbleiterbauelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzone (43, 44, 45) eine Feldstoppzone (45) aufweist.
23. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzone (43, 44, 45) ein erstes Dotiermaterial aufweist, bei dem die elektrische wirksame Dotierkonzentration stets ein Bruchteil der eingebrachten Dotierkonzentration beträgt, wobei eine Feldstoppzone (45) innerhalb der Kathodenzone (43, 44, 45) durch Ausdiffusion der ersten Dotierstoffe aus einem anderen Bereich (44) der Kathodenzone (43, 44, 45) gebildet ist.
24. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainzone (24) an eine Drain-Elektrode (25) angeschlossen ist und das Halbleiterbauelement als MOSFET, insbesondere als n-Kanal-MOSFET, ausgebildet ist.
25. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine an die Drainzone (24) angrenzende und an eine Anodenelektrode (25) angeschlossene Anodenzone (40) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.
26. Halbleiterbauelement nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als IGBT, insbesondere als n- Kanal-IGBT, ausgebildet ist.
27. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen MOSFET und einen mitintegrierten IGBT aufweist, deren Sourcezonen (26) jeweils an dieselbe Source-Elektrode (32) angeschlossen sind und deren Drainzone (24) bzw. Anodenzone (40) an dieselbe Drain- bzw. Anodenelektrode (25) angeschlossen sind.
28. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen MOSFET und eine mitintegrierte Diode aufweist, wobei die Sourcezonen (26) des MOSFETs und eine Kathodenzone (24) der Diode jeweils an dieselbe Source-Elektrode (32) angeschlossen sind und die Drainzone (24) des MOSFETs und eine Anodenzone (41) der Diode an dieselbe Drain- bzw. Anodenelektrode (25) angeschlossen sind.
29. Halbleiterbauelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode als mitintegrierte Freilaufdiode (52, 53) ausgebildet ist.
30. Integrierte Schaltung mit mindestens einem integrierten Halbleiterbauelement (50, 51) nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in Halbbrückenanordnung angeordnete MOSFETs (50, 51) vorgesehen sind, die über ihre Laststrecken in Reihe zueinander und zwischen einem ersten Anschluss (54) mit einem ersten Versorgungspotenzial (Vdd) und einem zweiten Anschluss (55) mit einem zweiten Versorgungspotenzial (GND) geschaltet sind, wobei jedem MOSFET (50, 51) eine mitintegrierte Freilaufdiode (52, 53) zugeordnet ist, die parallel zur Laststrecke des ihr zugeordneten Halbleiterbauelementes (50, 51) geschaltet ist.
31. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Halbleiter- Kontaktes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 12 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen eines Metalls für den Metall- Halbleiter-Kontakt (35) die oberflächennahen Bereiche der Halbleiterschicht (1) unmittelbar unter dem Metall- Halbleiter-Kontakt (35) einer Temperaturbehandlung und/oder einem Prozess zur Erzeugung von Störstellen (Damages) unterworfen werden.
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