DE10333556B4 - Halbleiterbauelement mit verbesserter Kommutierung - Google Patents

Halbleiterbauelement mit verbesserter Kommutierung Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement mit einem eine Vorderseite und eine zur Vorderseite gegenüberliegend vorgesehene Rückseite aufweisenden Halbleiterkörper (20), bei dem im Bereich der Vorderseite aktive Zonen (1, 2) angeordnet sind und die Rückseite mit einer Elektrode (3) belegt ist, und bei dem im Bereich der Rückseite im Abstand von dieser hochdotierte Gebiete (6) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückseite mit nicht dotiertem Material (7, 8) gefüllte Trenches (5) eingebracht sind, an deren Boden die hochdotierten Gebiete (6) gelegen sind, und dass der Zwischenraum zwischen den Trenches (5) schwach dotiert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem eine Vorderseite und eine zur Vorderseite gegenüberliegend vorgesehene Rückseite aufweisenden Halbleiterkörper, bei dem im Bereich der Vorderseite aktive Zonen angeordnet sind und die Rückseite mit einer Elektrode belegt ist, und bei dem im Bereich der Rückseite im Abstand von dieser hochdotierte und/oder metallisch leitende Gebiete vorgesehen sind.
  • IGBT's (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) und Dioden mit einer Feldstoppschicht, also einer hochdotierten Schicht unmittelbar angrenzend an die Dioden-Kathode, zeichnen sich durch ein sehr schnelles Schaltverhalten und gute Durchlasseigenschaften aus. Ein Nachteil solcher IGBTs und Dioden mit jeweils einer Feldstoppschicht liegt darin, dass bei einer Kommutierung des IGBTs bzw. der Diode der Strom schnell abreißt.
  • 4 zeigt schematisch eine Diode mit einer Anode A, einer Kathode K, einer p-leitenden Anodenzone 10, einer n-leitenden Kathodenzone aus einem n–-leitenden Bereich 11 und einem n+-leitenden Bereich 12 und mit einer Kathodenmetallisierung 13 aus beispielsweise Aluminium. Der n+-leitende Bereich 12 wirkt als Feldstoppschicht, welche eine Ausbreitung des elektrischen Feldes von der Anode bis zur Kathodenmetallisierung 13 verhindert. Das schnelle Abreißen des Stroms bei einer Kommutierung ist durch das rasche Absaugen der freien Ladungsträger insbesondere aus dem n+-leitenden Bereich 12 bedingt.
  • Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde bereits daran gedacht, "hinter" der durch den n+-leitenden Bereich 12 gebildeten Feldstoppschicht noch eine n–-leitende Pufferschicht 14 vor zusehen, wie dies in 5 gezeigt ist. Diese Pufferschicht 14 verhindert das schnelle Abreißen des Stromes bei der Kommutierung des Halbleiterbauelements.
  • Bei der Diode von 5 ist die durch den n+-leitenden Bereich 12 gebildete Feldstoppschicht zwischen dem n–-leitenden Bereich 11 und die n–-leitende Pufferschicht 14"eingebettet". Daher könnte daran gedacht werden, diese Feldstoppschicht beispielsweise mittels Protonenimplantation von der Anodenseite oder von der Kathodenseite, also von der Vorderseite oder der Rückseite her in den Halbleiterkörper der Diode einzubringen. In der Praxis hat sich ein derartiges Vorgehen infolge der relativ großen Dicke des Halbleiterkörpers als zumindest problematisch erwiesen.
  • P-Kanal-IGBTs finden bisher nur wenig Akzeptanz, da in ihrer Struktur zwangsläufig ein npn-Bipolartransistor beinhaltet ist. Dieser bewirkt eine Reduzierung der Durchbruchsspannung des IGBTs.
  • Dies soll im Folgenden anhand der 6 bis 8 näher erläutert werden.
  • 6 zeigt in einer Schnittdarstellung einen p-Kanal-IGBT mit Source S, Gate G und Drain D. Bei diesem IGBT sind eine p+-leitende Sourcezone 15, eine n-leitende Basiszone 16, eine p-leitende Basiszone 17 und eine n+-leitende Drainzone 18 vorgesehen. Durch die n-leitende Basiszone 16, die p-leitende Basiszone 17 und die n+-leitende Drainzone 18 wird ein parasitärer npn-Transistor 19 gebildet. Dieser ist in 6 schematisch in Strichlinien angedeutet.
  • 7 zeigt ein Ersatzschaltbild mit einem IGBT 20 und dem parasitären npn-Bipolartransistor 19 von 6. Es sei nun angenommen, dass an Gate G eine Spannung -UGS liegt, während Source S bzw. Drain D mit Spannungen –U bzw. +U beaufschlagt sind. Dann ergibt sich ein Kennlinienfeld, wie dieses in 8 gezeigt ist: infolge des parasitären npn-Bipolartransistors 19 reduziert sich die Durchbruchsspannung von U1 nach U2, also zu erheblich niedrigeren Spannungswerten. Aus diesem Grund werden p-Kanal-IGBTs in der Praxis nicht angewandt.
  • Um das "Latch-up" von der Durchbruchsspannung U1 zu der Durchbruchsspannung U2 zu vermeiden, sollte der parasitäre npn-Bipolartransistor 19 eine möglichst geringe Stromverstärkung β haben.
  • Im Einzelnen ist ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art beispielsweise aus DE 41 12 905 A1 , US 5,569,941 A , DE 198 23 944 A1 , DE 100 42 226 A1 , US 6,104,062 A oder DE 100 38 190 A1 bekannt. Dabei ist der US 6,104,062 A ein Halbleiterbauelement zu entnehmen, bei dem Trenches in die Rückseite von Halbleiterbauelementen eingebracht sind. Diese Trenches sind mit gut leitfähigem Material gefüllt. Weiterhin weisen die aus DE 41 12 905 A1 , US 5,569,941 A und DE 198 23 944 A1 bekannten Halbleiterbauelemente jeweils ein hochdotiertes Gebiet auf, das sich jedoch nicht am Boden eines Trenches befindet. Dagegen ist es aus der DE 100 42 226 A1 bekannt, ein dotiertes Gebiet am Boden eines Trenches zu erzeugen, wobei jedoch diese Trenches von der Vorderseite des Halbleiterbauelementes eingebracht sind. Metallisch leitende Gebiete sind hier Metallzonen, die in einen p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers eingelagert sind.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ein schnelles Abreißen des Stromes bei einer Kommutierung vermieden und/oder die Stromverstärkung eines parasitären npn-Transistors reduziert wird.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 4 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Bei dem Halbleiterbauelement handelt es sich in bevorzugter Weise um einen IGBT, der vom NPT-Typ oder vom Nicht-NPT-Typ (NPT = Non-Punch-Through) sein kann. Anstelle eines IGBTs kann das Halbleiterbauelement aber auch eine Diode und gegebenenfalls ein MOSFET sein.
  • In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes, welche speziell für IGBTs und Dioden geeignet ist, wird die Rückseite des Halbleiterbauelementes mit Trenchen versehen. In den Boden dieser Trenche wird ein n-dotierender Fremdstoff implantiert. Durch eine kräftige Ausheilung entstehen dann am Boden der Trenche n+-leitende Bereiche. Anschließend werden die Trenche mit einem Isolator oder nicht bzw. nur schwach dotiertem polykristallinem Silizium gefüllt.
  • Auf diese Weise wird eine Pufferzone durch den Zwischenraum des Halbleiterkörpers zwischen den Trenchen gebildet. Die Feldstoppschicht selbst entsteht durch die durch die Implantation erzeugten hochdotierten Gebiete am Boden der Trenche.
  • Es entsteht so eine wellige Raumladungszone, deren Welligkeit aber tolerierbar ist, sofern der Abstand zwischen den Trenchen kleiner ist als die Breite der Raumladungszone, also kleiner ist als ungefähr die Dicke des Halbleiterkörpers.
  • Eine Füllung der Trenche mit polykristallinem Silizium setzt die effektive Lebensdauer der Ladungsträger in der durch den Zwischenraum zwischen den Trenchen gebildeten Pufferzone herab, was unter Umständen im Hinblick auf die so genannte "Tail-Zeit" erwünscht sein kann.
  • Im Übrigen ist das Halbleiterbauelement dieses Ausführungsbeispiels und insbesondere dessen Rückseite in üblicher Weise entsprechend derzeitigen IGBTs und auch EMCON-Dioden gestaltet.
  • In 2 werden metallisch leitende Zonen im Driftgebiet des Halbleiterbauelementes außerhalb von der Raumladungszone platziert. Diese metallisch leitenden Zonen reduzieren die Stromversorgung des parasitären npn-Transistors, so dass das erwähnte "Latch-up" zu einer reduzierten Durchbruchsspannung vermieden werden kann. Speziell der p-Kanal-IGBT dieses Beispiels kann vom NPT-Typ oder vom Nicht-NPT-Typ sein. Er kann auch mit einer Feldstoppschicht entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ausgestattet werden.
  • Diese Struktur, kann gegebenenfalls auch bei Dioden eingesetzt werden. Hier liegen dann die metallisch leitenden Gebiete in der Kathodenzone.
  • Beim ersten Ausführungsbeispiel kann der Leitungstyp ohne weiteres umgekehrt werden. Das heißt, anstelle von n-Leitfähigkeitfähigkeit kann p-Leitfähigkeit verwendet werden, wenn die p-Leitfähigkeit durch die n-Leitfähigkeit ersetzt wird.
  • Für den Halbleiterkörper der jeweiligen Bauelemente wird in bevorzugter Weise Silizium eingesetzt. Es sind aber auch andere Halbleitermaterialien möglich, wie insbesondere Siliziumcarbid, AIIIBV-Halbleitermaterialien usw.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung durch einen Feldstopp-IGBT mit einem Trench-Stopp-Gitter nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine Schnittdarstellung eines p-Kanal-IGBTs mit Rekombinationszonen in einer nicht ausgeräumten epitaktischen Schicht.
  • 3 eine Schnittdarstellung eines p-Kanal-IGBTs mit Metallzonen am Boden von Trenchen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 4 eine Schnittdarstellung durch eine Diode mit einer Feldstoppschicht,
  • 5 eine Schnittdarstellung durch eine Diode mit einer Feldstoppschicht und einer Pufferschicht,
  • 6 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung eines herkömmlichen p-Kanal-IGBTs,
  • 7 ein Ersatzschaltbild zum IGBT von 6 und
  • 8 ein Kennlinienfeld für den IGBT der 6 und 7.
  • Die 4 bis 8 sind bereits eingangs näher erläutert worden. In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem n–-leitenden Halbleiterkörper 20, in den n+-leitende Sourcezonen 1 und p-leitende Basis- bzw. Bodyzonen 2 in die Vorderseite eingebracht sind. Auf der Rückseite des Halbleiterkörpers 20 ist eine Drainmetallisierung 3 aus Aluminium vorgesehen. Handelt es sich bei. dem Halbleiterbauelement um einen IGBT, so ist noch eine p-leitende Drainzone 4 vorhanden. Ohne die Drainzone 4 liegt ein MOSFET vor.
  • In die Rückseite des Halbleiterkörpers 20 sind Trenches 5 eingebracht, was vorzugsweise durch Ätzen geschieht. Durch Implantation sind in den Buden der Trenches 5 n+-dotierte Gebiete 6 erzeugt. Diese Gebiete 6 entstehen nach einer im Anschluss an die Implantation vorgenommenen kräftigen Ausheilung, so dass sich diese Gebiete 6 auch über die Bodenkante der Trenches 5 hinaus erstrecken können.
  • Die Trenches 5 werden nach der Implantation und Ausheilung zur Erzeugung der Gebiete 6 mit einem Isolator 7, wie beispielsweise Siliziumdioxid, oder einem nicht oder nur schwach dotierten polykristallinem Silizium 8 gefüllt.
  • Eine Pufferzone 14 wird durch den Halbleiterkörper 20 im Zwischenraum zwischen den Trenches 5 gebildet. Eine Feldstoppschicht 12 entsteht durch die Gebiete 6 am Boden der Trenches 5.
  • Auf diese Weise entsteht eine wellige Raumladungszone, deren Grenze 9 schematisch in 1 angedeutet ist.
  • Während beim Ausführungsbeispiel der 1 die Leitungstypen jeweils auch umgekehrt werden können, gilt dies für das Ausführungsbeispiel der 3 nicht, da hier primär ein p-Kanal-IGBT dargestellt ist. Dieser umfasst einen p-leitenden Halbleiterkörper 20, in dem p-leitende Sourcezonen 1 und n+-leitende Basiszonen 2 eingebracht sind. Die Drainzone 4 ist n+-dotiert.
  • Liegt bei diesem IGBT eine maximale Spannung Umax zwischen Source S und Drain D, dehnt sich die Raumladungszone bis zu einer Grenze 9 aus. Außerhalb der Grenze der Raumladungszone, also in den nicht-ausgeräumten Teil. des Halbleiterkörpers 20, der hier aus einer epitaktischen Schicht bestehen kann, sind so genannte "Metallzonen" 21 als Rekombinationszonen vorgesehen. Diese Rekombinationszonen 21 verringern die Stromverstärkung β des parasitären npn-Transistors aus den Bereichen 2, 20 und 4, so dass das oben erwähnte Latch-up vermieden wird.
  • Bei den Metallzonen 21 kann es sich um metallische leitende Bereiche handeln. Wesentlich ist, dass diese Bereiche als Rekombinationszonen wirken.
  • 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind die Metallzonen 21 am Boden und gegebenenfalls im Bereich der Seitenwände von Trenches 5 vorgesehen, die ihrerseits mit Isolator 7 oder undotiertem oder nur schwach dotiertem polykristallinem Silizium 8 gefüllt sein können. Die Metallzonen 21 wirken wie die Metallzonen 21 der 2 als Rekombinationszonen und reduzieren so die Stromverstärkung des parasitären npn-Bipolartransistors.
    • 1
    Sourcezone
    2
    Basiszone
    3
    Drainmetallisierung
    4
    Drainzone
    5
    Trenches
    6
    n+-Gebiete
    7
    Isolator
    8
    Polysilizium
    9
    Grenze von Raumladungszone
    10
    Anodenzone
    11
    n–-leitender Bereich
    12
    n+-leitender Bereich
    13
    Kathodenmetallisierung
    14
    Pufferschicht
    15
    Sourcezone
    16
    n-Basiszone
    17
    p-Basiszone
    18
    Drainzone
    20
    Halbleiterkörper

Claims (9)

  1. Halbleiterbauelement mit einem eine Vorderseite und eine zur Vorderseite gegenüberliegend vorgesehene Rückseite aufweisenden Halbleiterkörper (20), bei dem im Bereich der Vorderseite aktive Zonen (1, 2) angeordnet sind und die Rückseite mit einer Elektrode (3) belegt ist, und bei dem im Bereich der Rückseite im Abstand von dieser hochdotierte Gebiete (6) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rückseite mit nicht dotiertem Material (7, 8) gefüllte Trenches (5) eingebracht sind, an deren Boden die hochdotierten Gebiete (6) gelegen sind, und dass der Zwischenraum zwischen den Trenches (5) schwach dotiert ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht dotierte Material (7, 8) ein Isolator (7) oder nicht oder nur schwach dotiertes polykristallines Silizium (8) ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ein IGBT oder MOSFET ist.
  4. Halbleiterbauelement mit einem eine Vorderseite und eine zur Vorderseite gegenüberliegend vorgesehene Rückseite aufweisenden Halbleiterkörper (20), bei dem im Bereich der Vorderseite aktive Zonen (1, 2) angeordnet sind und die Rückseite mit einer Elektrode (3) belegt ist, und bei dem im Bereich der Rückseite im Abstand von dieser metallisch leitende Gebiete (21) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die metallisch leitenden Gebiete (21) am Boden von Trenches (5) befinden, die von der Rückseite her in den Halbleiterkörper (20) eingebracht sind.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisch leitenden Gebiete Metallzonen (21) sind, die in einen p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers (20) eingelagert sind.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Metallzonen (21) auch über Seitenwände der Trenches (5) erstrecken.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenches mit Isolator (7) oder undotiertem oder nur schwach dotiertem polykristallinem Silizium (8) gefüllt sind.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator Siliziumdioxid ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein p-Kanal-IGBT ist.
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