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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Metall-Halbleiter-Kontakt gemäß dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 2. Ferner betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 9 eine integrierte Schaltungsanordnung mit einem
solchen Metall-Halbleiter-Kontakt sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines Metall-Halbleiter-Kontaktes
gemäß Anspruch
6.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. 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.
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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.
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Um
die Auswirkungen dieses parasitären
Bipolartransistors auf die Spannungsfestigkeit des MOSFETs dennoch
zu verhindern, wird üblicherweise
die Sourcezone und die Bodyzone des MOSFETs (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.
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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 wür de.
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 MOSFET 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.
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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.
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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.
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Aufgrund
der stark eingeschränkten
Sperreigenschaften in Rückwärtsrichtung
eignet sich ein MOSFET in Voll- und Halbbrückenschaltungen insbesondere
bei höheren
Sperrspannungen – zum
Beispiel oberhalb von 250V – nur
bedingt. Bei niedrigeren Sperrspannungen sind die Schaltverluste
in diesen Schaltungsanwendungen hingegen sehr hoch.
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Die
US 4,344,980 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Ohmschen Kontaktes, bei dem auf
eine Halbleiterschicht eine Germaniumschicht und eine Selenschicht übereinander
abgeschieden werden, wobei anschließend Germanium- und Selen-Atome in die Halbleiterschicht
eindiffundiert werden. Anschließend
werden die Germaniumschicht und die Selenschicht entfernt, und auf
die Halbleiterschicht wird eine Kontaktschicht aufgebracht, wobei zwischen
dieser Kontaktschicht und der Halbleiterschicht wegen der eindiffundierten
Germanium- und Selen-Atome
ein Tunnelkontakt gebildet wird. Wegen des verwendeten Diffusionsverfahrens
werden bei diesem Verfahren Dotierstoffatome nicht oberhalb ihrer
Löslichkeitsgrenze
in das Halbleitermaterial eingebracht.
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Die
WO 01/80300 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements,
bei dem in den Halbleiterkörper
eingebrachte Dotierstoffe durch Laserbestrahlung aktiviert werden.
Die aktivierten Dotierstoffe liegen in einer Konzentration oberhalb
der Löslichkeitsgrenze
vor und bilden vergrabene hochdotierte Zonen eines Halbleiterbauelements.
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Aus
Yamamoto, A. et al. "Annealing
Effect on Thermoelectric Properties of Bi implanted Si Thin Film", Proceedings of
the Symposium on High Voltage and Smart Power Devices, Electrochem.
Soc., 1987, Seite 187–193,
Konferenz: Philadelphia, USA, 1987, ist eine Versuchsreihe beschrieben,
bei welcher Wismuth oberhalb der Löslichkeitsgrenze in eine Sliziumschicht
eingebracht wurde, wobei von den Dotierstoffatomen durch eine thermische
Behandlung nur ein Bruchteil aktiviert wurde. Die thermoelektrischen
Eigenschaften dieser Proben wurden nach Aufbringen von Aluminiumkontakten
auf die Proben ermittelt. Die
US
4,063,210 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
temperaturunabhängigen
Halbleiterwiderstandes. Bei diese Verfahren werden Silizium und
Nickel oder Silizium und Kobalt auf ein Substrat aus Quarz oder
Aluminiumoxid aufgedampft, um eine polykristalline Schicht zu bilden. In
dieser Schicht liegen Nickel und Kobalt in einer Konzentration oberhalb
der Löslichkeitsgrenze
vor.
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Die
US 3,765,940 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmwiderstandes, bei dem
Halbleitermaterialien der Gruppe IV des Periodensystems, wie beispielsweise
Silizium und Germanium, und Dotierstoffe wie beispielsweise Aluminium Bor,
Antimon oder Arsen gemeinsam auf ein isolierendes Substrat abgeschieden
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen größeren Freiheitsgrad
bei der Kontaktierung von Halbleiterschichten, insbesondere bei der
Kontaktierung von n-dotierten
Halbleiterschichten, bereit zu stellen.
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Ferner
soll insbesondere bei Halbleiterschaltern, die durch Feldeffekt
steuerbar sind, die Rückwärtssperrfähigkeit
verbessert werden, ohne dass dadurch die Latch-up Festigkeit verschlechtert
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Metall-Halbleiter-Kontakt mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und 2, und durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 9 gelöst,
welche durch ein Verfahren gemäß Anspruch
6 herstellbar sind.
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Die
Merkmale des Oberbegriffes der selbstständigen Ansprüche 1, 2
und 6 sind aus der
US 3,765,940 und
aus Yamamoto, A. et al. bekannt.
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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.
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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.
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Als
Dotierstoff eignet sich im Falle von zu kontaktierenden n-dotierten
Schichten insbesondere Selen, da dies zum einen eine sehr geringe
Löslichkeit
in Silizium aufweist und darüber
hinaus in Silizium n-dotierend wirkt Im Falle von p-dotierten Halbleiterschichten
eignet sich vor allem Palladium.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung
angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigt dabei:
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1 in
einem Teilschnitt den Aufbau eines vertikalen MOSFETs mit Kontakten
nach dem Stand der Technik;
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2 in
einem vereinfachten Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
auf einer n-dotierten Halbleiterschicht;
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3 in
einem vereinfachten Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes;
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4 in
einem vereinfachten Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes;
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5 in
einem vereinfachten Querschnitt ein viertes, sehr vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes;
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6 in
einem vereinfachten Querschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes;
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7 in
einem Teilschnitt eine erste Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
zur Kontaktierung der Sourcezonen eines vertikalen n-Kanal Leistungs-D-MOSFET;
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7a in
einem Teilschnitt einen erfindungsgemäßen MOSFET nach dem Prinzip
der Ladungsträgerkompensation;
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7b in
einem Teilschnitt einen in Trench-Technologie aufgebauten MOSFET
nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation;
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8 in
einem Teilschnitt eine zweite Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
zur Kontaktierung der Sourcezonen eines vertikalen n-Kanal IGBTs;
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9 in
einem Teilschnitt eine dritte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
in einer integrierten Anordnung mit zueinander parallel geschalteten
MOSFETs und IGBTs;
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10 die
Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung entsprechend 9;
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11 in
einem Teilschnitt eine vierte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
zur Kontaktierung der Kathodenzonen einer vertikalen pin-Leistungsdiode;
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11a die Ladungsträgerkonzentration im Durchlassbetrieb
einer pin-Leistungsdiode entsprechend 11;
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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;
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13 das
Ersatzschaltbild der Anordnung entsprechend 12;
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14 ein
Schaltbild für
den Einsatz eines erfindungsgemäßen MOSFETs
mit integrierter Freilaufdiode in einer Brückenschaltung;
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15 die
Löslichkeit
Cs verschiedener Dotierelemente in Silizium in Abhängigkeit
von der Temperatur T;
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16 den
Diffusionskoeffizienten D verschiedener Dotierelemente in Silizium
in Abhängigkeit
von der Temperatur T.
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In
allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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Die 2 zeigt
in einem vereinfachten Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Halbleiterkontaktes.
In der 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.
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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.
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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.
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Die 3 und 4 zeigen
zwei weitere Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Halbleiterkontaktes.
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Im
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
(2) dient im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 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 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 die sem 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.
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Im
dritten Ausführungsbeispiel
gemäß 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 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.
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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.
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Der
Kontakt 8 für
die Halbleiterschicht 1 ist im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen
gemäß den 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.
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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.
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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.
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Wird
nun Selen als Element verwendet – sei es für die Metallisierung (2, 3, 5)
oder für
die Herstellung einer Selen-dotierten Schicht (3 bis 5) – dann ergibt
sich in der unter dem Halbleiterkontakt 3 liegenden Halbleiter schicht 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.
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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 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 15 ist aus H. Schaumburg, "Halbleiter", Teubner-Verlag, Stuttgart, 1991, Bild
3.2.1–7
entnommen worden.
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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.
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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.
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Die 6 zeigt
in einem vereinfachten Querschnitt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes.
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Im
Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel entsprechend
der 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 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 – beispielswei se
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.
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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.
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In 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.
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An
der entgegengesetzten Oberfläche 21 sind
mehrere p-dotierte
Bodyzonen 26 wannenförmig in
die Innenzone 23 einge bettet. 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.
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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 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.
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Im
Ausführungsbeispiel
in 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 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.
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Nachfolgend
wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kontakte bei einem MOSFET
erläutert:
Durch
die Verwendung von Selen als Kontaktmaterial entsprechend einem
der Ausführungsbeispiele
der 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 Löcher strom
seinerseits kaum eine Injektion von Elektronen von der Sourcezone 27 in
die Bodyzone 26 bewirkt.
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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.
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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 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.
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In 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 Erfin dung auf sämtliche
MOSFETs erweitern. In den nachfolgenden 7a – 7b wird
die Erfindung anhand zwei weiterer MOSFET-Topographien erläutert.
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7a zeigt
ein Halbleiterbauelement, welches als n-Kanal-Leistungs-MOSFET nach dem Prinzip der
Ladungsträgerkompensation
ausgebildet ist. Der MOSFET in
7a zeichnet
sich gegenüber dem
in
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 A1 der
DE
43 097 64 C2 und der
DE 198 40 032 C1 beschrieben. Die Gegenstände dieser
Druckschriften werden hiermit vollinhaltlich in die vorliegende
Patentanmeldung mit einbezogen.
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In 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.
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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.
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Der
MOSFET in 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.
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Eine
solche "Retrograd
Well" 39 innerhalb der
Bodyzone 26 lässt
sich beispielsweise durch Tiefenimplantation und nach folgender 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 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.
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In 7b ist
ein in Trench-Technologie hergestellter MOSFET 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.
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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.
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Beim
Einsatz der erfindungsgemäßen Metall-Halbleiterkontakte
in MOS-Strukturen entsprechend den in 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.
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8 zeigt
in einem Teilschnitt eine zweite Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
zur Kontaktierung der Sourcezonen eines vertikalen n-Kanal-IGBTs.
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Der
IGBT in 8 unterscheidet sich von dem
Leistungs-MOSFET
entsprechend 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.
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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.
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9 zeigt
eine dritte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes 35 in
einer integrierten Anordnung mit zueinander parallel geschalteten
MOSFETs und IGBTs.
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9 zeigt
einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 1, bei dem jeweils
ein aus zwei Zellen (linke Zellen) bestehender MOSFET in der Ausgestaltung
entsprechend 7 sowie ein aus einer einzelnen
Zelle (rechte Zelle) bestehender IGBT in der Ausgestaltung entsprechend 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' angeord net. Diese
Zone 23' ist
als n-dotierte Feldstoppzone ausgebildet.
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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.
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Durch
die Integration eines MOSFETs und eines IGBTs entsprechend 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.
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Dies
wird aus der vereinfachten Strom-Spannungs-Kennlinie entsprechend 10 ersichtlich. Die
Kennlinie eines einzelnen MOSFET ist in 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 Vor teil
tritt insbesondere bei Hochspannungs-Bauelementen deutlicher in
Erscheinung.
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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.
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Die
Kurven in 10 sind selbstverständlich sehr
stark vereinfacht worden; die reale Kenlinie weist typischerweise
keinen Knick bei der Spannung U0, sondern
ein kontinuierlichen Übergang
auf.
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11 zeigt
in einem Teilschnitt eine vierte Anwendung des erfindungsgemäßen Metall-Halbleiter-Kontaktes
zur Kontaktierung der Kathodenzone einer pin-Leistungsdiode.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mittels
erfindungsgemäßer Metall-Halbleiterkontakte 35 lassen
sich erfindungsgemäß pin-Dioden entsprechend 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 11a gezeigten Diagramms näher erläutert. 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 11a kann selbstverständlich in
geeigneter Weise an die jeweils gewünschte Sperrspannung angepasst
werden.
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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 16) diffundieren die Selen-Atome
während
des Temperaturprozesses um et wa 1 – 5 μm aus dem n-Emitter aus und
liefern damit automatisch die erforderliche Feldstoppzone.
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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 11a nicht dargestellt, schließt sich jedoch der Feldstoppzone 45 an.
Die Feldstoppzone 45 weist in 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.
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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.
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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 Metallisie rung 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.
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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 7 ausgebildet, während die Freilaufdiode
(rechte Zelle) einen gegenüber 11 abgewandelten
Aufbau zeigt.
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Bei
der MOSFET/Freilaufdioden-Anordnung entsprechend 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.
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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.
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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.
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Bei
Abwandlung des MOSFETs als IGBT entsprechend dem Ausführungsbeispiel
in 8 lässt
sich die Freilaufdiode auch in ein IGBT-Halbleiterbauelement mitintegrieren.
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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.
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13 zeigt
das Ersatzschaltbild einer Anordnung entsprechend 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.
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Optional
könnte
ein Widerstand 58 in der Schaltungsanordnung in 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.
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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.
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14 zeigt
ein Schaltbild für
den Einsatz erfindungsgemäßer MOSFETs
mit integrierter Freilaufdiode in einer Halbbrückenschaltung. Die Halbbrückenschaltung
besteht hier aus zwei Rückwärts sperrenden
und Latch-up-festen MOSFETs 50, 51, die beispielsweise
entsprechend 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 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.
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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
do tierend 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 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.
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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.
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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 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.
-
- 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