DE10226664B4 - Kompensations-Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Mittels Feldeffekt steuerbares Kompensations-Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:
– einen Halbleiterköper (100) mit einer Vorderseite (101), einer Rückseite (102) und einem Randbereich (103A),
– in dem Halbleiterkörper (100) eine Drift-Zone (14) und im Bereich der Vorderseite (101) eine erste Anschlusszone (30) eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der ersten Anschlusszone (30) und der Drift-Zone (14) ausgebildete Kanalzone (20) eines zweiten Leitungstyps,
– eine isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) und benachbart zu der Kanalzone (20) ausgebildete Steuerelektrode (40),
– wenigstens eine in der Drift-Zone (14) unterhalb der Kanalzone (20) ausgebildete erste Kompensationszone (50) des zweiten Leitungstyps, die sich an die Kanalzone (20) anschließt,
– wenigstens eine im Randbereich (103A) des Halbleiterkörpers in der Drift-Zone (14) ausgebildete zweite Kompensationszone (52A, 52B) des zweiten Leitungstyps und
– wenigstens eine Verbindungszone (60A) des zweiten Leitungstyps, die entlang der Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100) ausgebildet ist, die die zweite...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mittels Feldeffekt steuerbares Kompensations-Halbleiterbauelement.
  • Derartige Halbleiterbauelemente sind hinlänglich bekannt und beispielsweise in der DE 4309764 C2 oder der EP 0879481 B1 beschrieben. Der wesentliche Aspekt derartiger Kompensationsbauelemente besteht darin, dass in einer Drift-Zone Kompensationszonen ausgebildet sind, die komplementär zu der Drift-Zone dotiert sind und die üblicherweise an die Kanal-Zone, die bei MOSFET als Body-Zone bezeichnet wird, angeschlossen sind. Diese Kompensationszonen ermöglichen eine höhere Dotierung der Drift-Zone und bewirken damit einen verringerten Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements, ohne die Spannungsfestigkeit des Bauelements zu verringern. Wird das Halbleiterbauelement nämlich sperrend angesteuert und liegt eine Sperrspannung an dem Halbleiterbauelement, und damit über der Drift-Zone an, so sorgen die Kompensationszonen dafür, dass die freien Ladungsträger der Driftzone ausgeräumt werden und sich die Driftzone hinsichtlich der Spannungsfestigkeit wie ein undotiertes Halbleitermaterial verhält.
  • Bei derartigen Halbleiterbauelementen ist es bekannt, in Randbereichen des Halbleiterkörpers ebenfalls Kompensationszonen vorzusehen, die allerdings floatend angeordnet, das heißt nicht an ein definiertes Potential angeschlossen sind. Werden diese floatend angeordneten Kompensationszonen bei sperrendem Halbleiterbauelement einmal von der sich in der Drift-Zone ausbreitenden Raumladungszone erfasst, so werden die Kompensationszonen und die umliegenden Bereiche der Drift-Zone von freien Ladungsträgern ausgeräumt. Die floatende Anordnung der Kompensationszonen bewirkt, dass diese Randbereiche auch beim wiedereinschalten des Bauelements ausge räumt bleiben und dadurch nicht zur Stromführung des Bauelements beitragen.
  • Die DE 101 00 802 C1 beschreibt ein Kumpensations-Halbleiterbauelement, das sowohl im Bereich eines Transistor-Zellenfeldes als auch im Randbereich Kompensationszonen aufweist. Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelements im Randbereich ist vorgesehen, eine Halbleiterzone, die zwischen der Drain-Zone und einer die Kompensationszonen aufweisenden Drift-Zone angeordnet ist, im Randbereich schwächer zu dotieren. Der Dotierungstyp dieses schwächer dotierten Bereichs kann dabei mit dem Dotierungstyp der Kompensationszonen übereinstimmen.
  • Die US 2001/0028083 A1 beschreibt in 26 ein Kompensations-Halbleiterbauelement mit in einer Drift-Zone angeordneten Kompensationszone. Eine Kanalzone bzw. Body-Zone des Bauelements, die am Rand eines Transistor-Zellenfeldes angeordnet ist, erstreckt sich in lateraler Richtung über mehrere Kompensationszonen, wobei der gegenseitige Abstand der Kompensationszonen in diesem Bereich ausgehend von dem Zellenfeld in Richtung eines Randbereiches des Bauelements abnimmt.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mittels Feldeffekt steuerbares Kompensations-Halbleiterbauelement mit verringertem Einschaltwiderstand zur Verfügung zu stellen.
  • Dieses Ziel wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruches.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper mit einer Vorderseite, einer Rückseite und einem Randbereich, wobei in dem Halbleiterkörper eine Drift-Zone und im Bereich der Vorderseite eine erste Anschlusszone eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der ersten Anschlusszone und der Drift-Zone ausgebildete Kanalzone eines zweiten Leitungstyps ausgebildet sind. Isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper und benachbart zu der Kanalzone ist eine Steuerelektrode ausgebildet. In der Driftzone ist unterhalb der Kanalzone wenigstens eine Kompensationszone des zweiten Leitungstyps ausgebildet, die sich an die Kanalzone anschließt. Weiterhin ist im Randbereich des Halbleiterkörper wenigstens eine in der Drift-Zone ausgebildete Kompensationszone des zweiten Leitungstyps und wenigstens eine Verbindungszone des zweiten Leitungstyps vorhanden, die diese Kompensationszone und die Kanalzone verbindet.
  • Die zweite Anschlusszone bildet bei MOS-Transistoren, deren Source-Zone und die Kanalzone bildet deren Body-Zone. Üblicherweise sind bei MOS-Transistoren die Body-Zone und die Source-Zone kurzgeschlossen, so dass die Body-Zone auf Source-Potential liegt.
  • Bei sperrendem Transistor räumen sich die Kompensationszonen und die Drift-Zonen sowohl unterhalb der Body-Zone als auch in den Randbereichen des Halbleiterbauelements gegenseitig aus und bewirken so eine hohe Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements. Beim Wiedereinschalten können die in den Kompensationszonen in den Randbereichen gespeicherten Ladungsträger über die Verbindungszone und die Body-Zone nach 'Source-Potential abfließen, so dass sich die zuvor in den Randbereichen aufgebaute Raumladungszone abbaut und die Randbereiche zur Stromleitung des Halbleiterbauelementes beitragen können, wodurch sich insgesamt der Einschaltwiderstand des Halbleiterbauelements reduziert.
  • Die Verbindungszone, die die wenigstens eine Kompensationszone im Randbereich mit der Body-Zone verbindet, ist niedriger dotiert als die Kompensationszone oder hinsichtlich ihrer räumlichen Abmessung so gering dimensioniert, dass diese Verbindungszone bei gesperrtem Halbleiterbauelement bereits bei geringen Sperrspannungen vollständig von freien Ladungsträgern ausgeräumt wird, um dadurch einen Ladungsträgeraustausch zwischen den Kompensationszonen im Randbereich und der Body-Zone zu unterbinden.
  • Bei der Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verbindungszone entlang der Vorderseite des Halbleiterkörpers ausgebildet ist und die wenigstens eine im Randbereich angeordnete Kompensationszone unmittelbar mit der Kanalzone verbindet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Verbindungszone die wenigstens eine im Randbereich angeordnete Kompensationszone mit einer unterhalb der Kanalzone bzw. Body-Zone angeordneten Kompensationszone verbindet, wodurch die Verbindungszone die im Randbereich angeordnete Kompensationszone indirekt über die unterhalb der Body-Zone angeordnete Kompensationszone an die Body-Zone anschließt.
  • Vorzugsweise ist die Anzahl der insgesamt in der Drift-Zone vorhandenen Dotierstoffatome wenigstens annäherungsweise gleich der gesamten Anzahl der in den Kompensationszonen vorhandenen Dotierstoffatome, wodurch sich die Drift-Zone und die Kompensationszonen bei Anlegen einer Sperrspannung vollständig gegenseitig ausräumen können.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten 1 näher erläutert, in der ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Seitenansicht im Querschnitt (1a) und in der in 1a dargestellten Schnittebene I-I dargestellt ist.
  • Das in der Figur dargestellte Halbleiterbauelement ist ein n-leitender MOS-Transistor. Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf p-leitende MOS-Transistoren anwendbar, wobei dann gegenüber dem in der Figur dargestellten Halbleiterbauelement komplementäre Dotierungen vorzusehen sind.
  • Das Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer im Bereich der Rückseite 102 des Halbleiterkörpers angeordneten Drain-Zone 12, an welche sich eine n-dotierte Drift-Zone 14 anschließt, die schwächer als die Drain-Zone 12 dotiert ist. Im Bereich einer Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers sind stark n-dotierte Source-Zonen 30 ausgebildet, die in dem Ausführungsbeispiel in dem Halbleiterkörper 100 von einer p-dotierten Kanalzone bzw. Body-Zone 20 umgeben sind, so dass die Body-Zone zwischen der Source-Zone 30 und der Drift-Zone 14 angeordnet ist. Isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 sind in dem Ausführungsbeispiel oberhalb der Vorderseite 101 Gate-Elektroden 40 ausgebildet, die sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers von der Source-Zone 30 entlang eines sich an die Vorderseite 101 anschließenden Abschnittes der Body-Zone 20 bis an einen sich an die Vorderseite 101 anschließenden Abschnitt der Drift-Zone 14 erstrecken. Die Source-Zonen 30 sind durch eine Source-Elektrode 32 kontaktiert, die gleichzeitig die Source-Zone 30 und die Body-Zone 20 kurzschließt. Die Source-Elektrode 32 und die Gate-Elektrode 40 sind durch eine Isolationsschicht 80 gegeneinander isoliert.
  • Das Halbleiterbauelement ist zellenartig aufgebaut, das heißt, es sind eine Vielzahl gleichartiger Strukturen mit je einer Body-Zone 20 und einer in der Body-Zone 20 angeordneten Source-Zone 30 und einer zugeordneten Gate-Elektrode 40 vorhanden.
  • Unterhalb jeder Body-Zone 20 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine p-dotierte Kompensationszone 50 ausgebildet, die sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 anschließend an die Body-Zonen 20 in Richtung der Drain-Zone 12 erstrecken.
  • Der Halbleiterkörper 100 weist Randbereiche 103A, 103B auf, in denen ebenfalls p-dotierte Kompensationszonen 52A, 52B, 52C, 52D ausgebildet sind, die ebenfalls in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 verlaufen.
  • Erfindungsgemäß sind Verbindungszonen 60A, 60B, 60C, vorgesehen, die diese Kompensationszonen 51A–52D der Randbereiche 103A, 103B an eine der Body-Zonen 20 anschließen.
  • In der Figur sind zwei unterschiedliche Ausgestaltungen derartiger Verbindungszonen gezeigt, wobei die Verbindungszone 60A in dem links in der Figur dargestellten Randbereich 103A unterhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers ausgebildet ist und die beiden dargestellten Kompensationszonen 51A, 52B an die Body-Zone 20 anschließt.
  • In dem rechts in der Figur dargestellten Randbereich 103B verlaufen Verbindungszonen 60B, 60C beabstandet zu der Vorderseite 101 und schließen die im Randbereich 103B angeordneten Kompensationszonen 52C, 52D an eine Kompensationszone 50 an, die unterhalb der Body-Zone 20 verläuft die und an die Body-Zone 20 angeschlossen ist. Die Kompensationszonen 52C, 52D des Randbereiches 103B sind bei dieser Ausführungsform indirekt über die Verbindungszonen 60B, 60C und die Kompensationszone 50 an die Body-Zone 20 angeschlossen.
  • Das dargestellte Halbleiterbauelement leitet oder sperrt nach Maßgabe eines an die Gate-Elektrode 40 angelegten Ansteuerpotentials, wobei das dargestellte n-leitende Halbleiterbauelement bei Anlegen eines positiven Ansteuerpotentials an die Gate-Elektrode 40 leitet. Bei Anlegen einer Spannung zwischen der Drain-Zone 12, bzw. einem Drain-Anschluss D, und der Source-Zone 30, bzw. einem Source-Anschluss S, fließen Majoritätsladungsträger, im vorliegenden Fall Elektronen von der Source-Zone 30 über einen in der Kanalzone 20 unterhalb der Vorderseite 101 ausgebildeten Kanal und die Drift-Zone 14 zur Drain-Zone 12, wie dies in der Figur gestrichelt eingezeichnet ist. Die an die Body-Zone 20 angeschlossenen Kompensationszonen 50 liegen über die Body-Zone auf Source-Potential und behindern dadurch den Ladungsträgertransport nicht. Gleiches gilt für die Kompensationszonen 52A–52D in den Randbereichen 103A, 103B, die über die Verbindungszonen 60A, 60B, 60C an die Body-Zone 20 angeschlossen sind, so dass auch in den Randbereichen 103A, 103B ein Ladungsträgertransport stattfindet, wodurch der Einschaltwiderstand des Bauelements insgesamt reduziert ist.
  • Die Verbindungszonen 60A, 60B sind vorzugsweise streifenförmig ausgebildet, wie dies beispielhaft in der Schnittdarstellung I-I gezeigt ist, so dass auch in dem linken Randbereich 103a Ladungsträger aus der Body-Zone austreten und sich in Richtung der Drain-Zone 12 bewegen können.
  • Im rechten Randbereich 103B ermöglicht die streifenförmige Ausgestaltung der Verbindungszonen 60B, 60C, dass die aus der Body-Zone 20 austretenden Ladungsträger sich zwischen den streifenförmigen Abschnitten der Verbindungszonen 60B, 60C hindurch zu der Drain-Zone 12 bewegen können.
  • Sperrt der MOS-Transistor bildet sich ausgehend von den Body-Zonen 20, die auf Source-Potential liegen, und den an die Body-Zone 20 angeschlossenen Kompensationszonen 50 eine Raumladungszone aus, die bewirkt, dass Ladungsträger der Kompensationszonen 50 und Ladungsträger der umliegenden Bereiche der Drift-Zone 12 sich gegenseitig kompensieren. Wie weit sich diese Raumladungszone ausbreitet, ist dabei von der angelegten Sperrspannung abhängig. Bei der maximal möglichen Sperrspannung, bevor es zu einem Spannungsdurchbruch kommt, erfasst die Raumladungszone die gesamte Drift-Zone 14. Die Drift-Zone 14 und die Kompensationszone 50, 52A–52D räumen sich gegenseitig vollständig von Ladungsträgern aus, wenn die Anzahl der Dotierstoffatome in der Drift-Zone 14 der Anzahl der in den Kompensationszonen 50 und 52A–52D vorhandenen Dotierstoffatome entspricht.
  • Die Verbindungszonen 60A und 60B, 60C sind so dotiert oder hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen so gestaltet, dass sie bereits bei kleinen Sperrspannungen vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt sind, also bei weit kleineren Sperrspannungen, als der maximalen Sperrspannung und noch bevor die Kompensationszonen 51A–52D vollständig ausgeräumt sind. Dadurch wird bereits bei kleinen Sperrspannungen ein Ladungsträgeraustausch zwischen den im Randbereich angeordneten Kompensationszonen 52A-52D und der Body-Zone verhindert.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Randbereiche 103A, 103B im Übrigen wie bei herkömmlichen derartigen Halbleiterbauelementen ausgebildet sein können. So können beispielsweise Feldplatten 70A, 70D oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers ausgebildet sein, die entweder an die Drift-Zone 12 oder an die Source-Elektrode 32 angeschlossen sind.

Claims (2)

  1. Mittels Feldeffekt steuerbares Kompensations-Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterköper (100) mit einer Vorderseite (101), einer Rückseite (102) und einem Randbereich (103A), – in dem Halbleiterkörper (100) eine Drift-Zone (14) und im Bereich der Vorderseite (101) eine erste Anschlusszone (30) eines ersten Leitungstyps und eine zwischen der ersten Anschlusszone (30) und der Drift-Zone (14) ausgebildete Kanalzone (20) eines zweiten Leitungstyps, – eine isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) und benachbart zu der Kanalzone (20) ausgebildete Steuerelektrode (40), – wenigstens eine in der Drift-Zone (14) unterhalb der Kanalzone (20) ausgebildete erste Kompensationszone (50) des zweiten Leitungstyps, die sich an die Kanalzone (20) anschließt, – wenigstens eine im Randbereich (103A) des Halbleiterkörpers in der Drift-Zone (14) ausgebildete zweite Kompensationszone (52A, 52B) des zweiten Leitungstyps und – wenigstens eine Verbindungszone (60A) des zweiten Leitungstyps, die entlang der Vorderseite (101) des Halbleiterkörpers (100) ausgebildet ist, die die zweite Kompensationszone (52A, 52B) und die Kanalzone (20) unmittelbar verbindet und die schwächer als die wenigstens eine zweite Kompensationszone (52A, 52B) dotiert ist.
  2. Halbleiterbauelement nach dem Anspruch 1, bei dem die Anzahl der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in der Drift-Zone (14) wenigstens annäherungsweise der Anzahl der Dotierstoffatome in den Kompensationszonen (50, 52A, 52B) entspricht.
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