DE10339455B3 - Vertikales Halbleiterbauelement mit einer eine Feldelektrode aufweisenden Driftzone und Verfahren zur Herstellung einer solchen Driftzone - Google Patents

Vertikales Halbleiterbauelement mit einer eine Feldelektrode aufweisenden Driftzone und Verfahren zur Herstellung einer solchen Driftzone Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Driftzone eines vertikalen Halbleiterbauelements und ein vertikales Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Seite (101) und einer zweiten Seite (102), DOLLAR A - eine in einem im Bereich zwischen der ersten und zweiten Seite (101, 102) angeordnete, zur Aufnahme einer Sperrspannung ausgebildete Driftzone (30) eines ersten Leitungstyps, DOLLAR A - eine in der Driftzone (30) angeordnete Feldelektrodenanordnung mit wenigstens einer isoliert gegenüber dem Halbleiterkörpers (100) angeordneten elektrisch leitenden Feldelektrode (40; 40A-40E); 90A-90J), wobei ein elektrisches Potential der wenigstens einen Feldelektrode (40; 40A-40E; 90A-90J) in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) wenigstens bei Anlegen einer Sperrspannung variiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein vertikales Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Driftzone eines solchen Bauelements.
  • Derartige vertikale Halbleiterbauelemente, die beispielsweise in der US 4,941,026 beschrieben sind, können sowohl als bipolare Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, oder als unipolare Bauelemente, wie beispielsweise MOS-Transistoren oder Schottky-Dioden, ausgebildet sein.
  • Bei Dioden ist eine zweite Anschlusszone des zweiten Leitungstyps im Bereich der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet, wobei die beiden komplementär dotierten Anschlusszonen die Anoden- und Kathodenzonen bzw. Emitter und Kollektorzonen der Diode bilden.
  • Bei einem vertikalen MOS-Transistor ist eine als Source-Zone dienende zweite Anschlusszone vom selben Leitungstyps wie die als Drain-Zone dienende erste Anschlusszone vorhanden, wobei die Source-Zone mittels einer Body-Zone des zweiten Leitungstyps von der Driftzone getrennt ist. Zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Body-Zone zwischen der Source-Zone und der Driftzone dient eine isoliert gegenüber den Halbleiterzonen ausgebildete Gate-Elektrode.
  • Maßgeblich für die Spannungsfestigkeit solcher Bauelemente, also für die maximal zwischen deren Lastanschlüssen anlegbare Spannung, bevor ein Spannungsdurchbruch auftritt, ist die Ausgestaltung, hier insbesondere die Dotierung und die Abmes sung in vertikaler Richtung, der Driftzone. Die Driftzone nimmt bei derartigen Bauelementen im sperrenden Zustand, bei einer Diode also bei Anlegen einer Spannung, die einen pn-Übergang zwischen der Anode und der Driftzone in Sperrrichtung polt, und bei einem MOS-Transistor bei Anlegen einer Laststreckenspannung und Nicht-Ansteuerung der Gate-Elektrode, den Großteil der anliegenden Spannung auf. Eine Reduktion der Dotierstoffkonzentration der Driftzone oder eine Verlängerung der Driftzone erhöht die Spannungsfestigkeit, geht jedoch zu Lasten des Einschaltwiderstandes.
  • Das Vorsehen einer isoliert gegenüber der Driftzone angeordneten und sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers erstreckenden Feldelektrode, die auf einem definierten Potential liegt, bewirkt eine Kompensation von Ladungsträgern in der Driftzone. Aufgrund dieser Kompensationswirkung ergibt sich die Möglichkeit, die Driftzone des Bauelements gegenüber Bauelementen ohne solche Feldelektrode bei gleichbleibender Spannungsfestigkeit zu erhöhen, was wiederum zu einer Verringerung des Einschaltwiderstandes führt.
  • In der oben genannten US 4,941,026 ist beschrieben, die Feldelektrode auf ein festes Potential zu legen, das bei einem MOSFET dem Potential an der Gate-Elektrode oder dem Source-Potential entsprechen kann. Die Spannungsbelastung einer die Feldelektrode gegenüber der Driftzone isolierenden Isolationsschicht variiert in diesem Fall mit dem sich in vertikaler Richtung der Driftzone ändernden Potential. Unter der Annahme, dass die Feldelektrode auf demselben Potential wie einer der Lastanschlüsse – beispielsweise der Source-Anschluss bei einem MOSFET oder der Anodenanschluss bei einer Diode – liegt, ist die Spannungsbelastung der Isolationsschicht in der Nähe des anderen Lastanschlusses – also des Drain-Anschlusses bei einem MOSFET bzw. des Kathodenanschlusses bei einer Diode – besonders groß.
  • Um diese Potentialverteilung in der Driftzone im Sperrfall zu berücksichtigen und um zu verhindern, dass an den Stellen der Isolationsschicht, die einer hohen Spannungsbelastung ausgesetzt sind, ein Spannungsdurchbruch zwischen der Driftzone und der Feldelektrode auftritt, ist in der US 6,365,462 B2 vorgeschlagen, die Dicke der Isolationsschicht zwischen der Driftzone und der Feldelektrode in vertikaler Richtung so zu variieren, dass sie mit zunehmender Spannungsbelastung zunimmt. Bei dem bekannten Bauelement sind in der Driftzone in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers verlaufende Gräben ausgebildet, in denen sich in vertikaler Richtung verjüngende Zonen aus Polysilizium, die als Feldelektroden dienen, ausgebildet sind. Diese Zonen sind bei einer Ausgestaltung des Bauelements als Diode an die Anode angeschlossen und bilden bei einer Ausgestaltung des Bauelements als Graben-Transistor eine Verlängerung einer in dem Graben angeordneten Gate-Elektrode.
  • Ein vertikales Bauelement mit einer sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers verjüngenden Feldelektrode ist auch aus der US 5,973,360 bekannt.
  • In der US 2003/0073287 A1 sind vertikale Leistungsbauelemente mit einer Driftzone beschrieben, bei denen in vertikaler Richtung des Bauelementes beabstandet zueinander zwei Feldelektroden vorgesehen sind, die gegenüber der Driftzone isoliert sind. Diese Feldelektroden liegen im Betrieb des Bauelements auf unterschiedlichen Potentialen.
  • Für laterale Bauelemente in SOI-Technologie ist es aus der DE 197 55 868 C1 bekannt, mehrere gegenüber der Driftzone isolierte Feldplatten entlang der Driftzone anzuordnen und diese Feldplatten an komplementär zu der Driftzone dotierte Abschnitte in der Driftzone anzuschließen.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein vertikales, eine Driftzone aufweisendes Halbleiterbauelement mit wenigstens einer in der Driftzone angeordneten Feldelektrode zur Verfügung zu stellen, bei dem die Dicke der die Feldelektroden umgebenden Isolationsschicht gegenüber herkömmlichen Bauelementen reduziert werden kann. Ziel der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer wenigstens eine Feldelektrode aufweisenden Driftzone eines vertikalen Halbleiterbauelements.
  • Diese Ziele werden durch ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße vertikale Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper mit einer ersten und einer zweiten Seite, eine im Bereich zwischen der ersten und zweiten Seite angeordnete, zur Aufnahme einer Sperrspannung ausgebildete Driftzone eines ersten Leitungstyps, sowie eine in der Driftzone angeordnete Feldelektrodenanordnung mit wenigstens einer teilweise isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper angeordneten elektrisch leitenden Feldelektrode. Das Bauelement umfasst außerdem wenigstens eine floatend in der Driftzone ausgebildete oder anschließend an die Driftzone angeordnete Halbleiterzone, wobei die wenigstens eine Feldelektrode an diese wenigstens eine Halbleiterzone elektrisch gekoppelt ist. Diese Halbleiterzone ist vom zweiten Leitungstyp, oder diese Halbleiterzone ist vom selben Leitungstyp wie die Driftzone und stärker als die Driftzone dotiert.
  • Vorzugsweise sind wenigstens zwei in vertikaler Richtung beabstandet zueinander angeordnete Feldelektroden vorhanden, von denen eine an die floatende Halbleiterzone und die andere an ein definiertes Potential angeschlossen ist. Diese andere Feldelektrode Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps kann bei einer Diode an die Anodenzone und bei einem MOSFET an die Body-Zone oder Source-Zone angeschlossen sein.
  • In dem Bauelement bildet sich bei Anlegen einer Sperrspannung eine Raumladungszone in der Driftzone aus, die sich mit zunehmender Sperrspannung in vertikaler Richtung ausbreitet. Die wenigstens eine floatend in der Driftzone angeordnete Halbleiterzone bewirkt im Sperrfall, dass die ihr zugeordnete elektrisch leitende und gegenüber der Driftzone isolierte Feldelektrode ein Potential annimmt, das dem Potential der Raumladungszone an der Position der floatenden Halbleiterzonen entspricht. Davon ausgehend, dass sich die floatende Halbleiterzone in vertikaler Richtung auf der Höhe der Feldelektrode befindet, muss die Spannungsfestigkeit der die Feldelektrode umgebenden Isolationsschicht nur so groß sein wie die Spannungsdifferenz in der Driftzone zwischen der Position der floatenden Halbleiterzone und der Position des in vertikaler Richtung am weitesten entfernten Punktes der Feldelektrode.
  • Befindet sich die floatend angeordnete Halbleiterzone knapp oberhalb der Feldelektrode, so entspricht die maximal auftretende Spannung zwischen der Feldelektrode und der umgebenden Driftzone dem Spannungsabfall entlang der Feldelektrode in der Driftzone.
  • Die Feldelektroden sind in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers vorzugsweise langgestreckt ausgebildet und verjüngen sich vorzugsweise in vertikaler Richtung, so dass die Dicke der Isolationsschicht in der Richtung zunimmt, in der die Spannung zwischen der einzelnen Feldelektrode und der Driftzone zunimmt.
  • Das erfindungsgemäße Konzept ist auf beliebige vertikale Halbleiterbauelemente anwendbar.
  • Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise als Diodenbauelement ausgebildet und umfasst in diesem Fall eine erste Anschlusszone des ersten Leitungstyps, die stärker als die Driftzone dotiert ist und die sich im Bereich der ersten Seite an die Driftzone anschließt. Außerdem umfasst ein Diodenbauelement eine zweite Anschlusszone des zweiten Leitungstyps, die sich im Bereich der zweiten Seite an die Driftzone anschließt. Die erste Anschlusszone bildet dabei die Kathodenzone und die zweite Anschlusszone bildet die Anodenzone dieses Diodenbauelements.
  • Die Anodenzone kann bei Vorsehen mehrerer Feldelektroden an eine der Feldelektroden elektrisch gekoppelt sein, um diese Feldelektrode auf Anodenpotential zu halten, während andere Feldelektroden beispielsweise an floatend angeordnete Halbleiterzonen gekoppelt sind.
  • Das Bauelement kann weiterhin auch als Transistorbauelement ausgebildet sein und umfasst dann eine erste Anschlusszone des ersten Leitungstyps, die stärker als die Driftzone dotiert ist und die sich im Bereich der ersten Seite an die Driftzone anschließt, eine zweite Anschlusszone des ersten Leitungstyps im Bereich der zweiten Seite des Halbleiterkörpers, eine zwischen der zweiten Anschlusszone und der Drift zone angeordnete Kanalzone des zweiten Leitungstyps sowie eine Steuerelektrode, die isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper angeordnet ist und die bei Anlegen eines Ansteuerpotentials zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Kanalzone zwischen der zweiten Anschlusszone und der Driftzone dient. Die erste Anschlusszone dient in diesem Fall als Drain-Zone des Bauelements, die zweite Anschlusszone als Source-Zone und die die Kanalzone als Body-Zone.
  • Die Body-Zone kann bei Vorsehen mehrerer Feldelektroden an eine der Feldelektroden elektrisch gekoppelt sein, um diese Feldelektrode auf Anodenpotential zu halten, während andere Feldelektroden beispielsweise an floatend angeordnete Halbleiterzonen gekoppelt sind.
  • Die Feldelektroden können in beliebiger geeigneter Weise so an die Halbleiterzonen des zweiten Leitungstyps gekoppelt werden, dass das Potential der Feldelektroden wenigstens annähernd dem Potential der zugeordneten Halbleiterzone entspricht.
  • Die Feldelektroden bestehen vorzugsweise aus einem stark dotierten Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Halbleitermaterial desselben Leitungstyps wie die wenigstens eine floatend angeordnete Halbleiterzone, oder aus einem Metall.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Isolationsschicht, die je eine der Feldplatten umgibt, eine Aussparung aufweist, und dass sich die zugeordnete Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps durch diese Aussparung bis an die Feldelektrode erstreckt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden, gegenüber einer Driftzone des ersten Leistungstyps teilweise isolierten Feldelektrode, die an eine floatend angeordnete Halbleiterzone gekoppelt ist, sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
    • – Bereitstellen einer ersten Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps die eine Oberfläche aufweist,
    • – Herstellen eines Seitenwände und einen Boden aufweisenden Grabens in der ersten Halbleiterschicht ausgehend von der Oberfläche,
    • – Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht auf Seitenwände und den Boden des Grabens,
    • – Einbringen eines die Feldelektrode bildenden elektrisch leitenden Materials in den Graben,
    • – Abscheiden einer zweiten Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps auf die erste Halbleiterschicht mit dem aufgefüllten Graben,
    • – Erzeugen einer floatend angeordneten Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps in der zweiten Halbleiterschicht oberhalb des Grabens.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das die Feldelektrode bildende elektrisch leitende Material aus einem mit Dotierstoffen des zweiten Leitungstyps dotierten Halbleitermaterial besteht, wobei die floatend angeordnete Halbleiterzone durch Ausdiffusion von Dotierstoffen des zweiten Leitungstyps aus dieser Feldelektrode in die zweite Halbleiterzone hergestellt wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das elektrisch leitende, die Feldelektrode bildende Material ein metallisches Material ist, wobei die Herstellung der floatend angeordneten Zone in diesem Fall durch Einbringen von Ladungsträgern des zweiten Leitungstyps in die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht erfolgt.
  • Außerdem kann vor dem Abscheiden der zweiten Halbleiterschicht eine Isolationsschicht mit einer Aussparung auf das elektrisch leitende Material in dem Graben aufgebracht werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt ein vertikales, als Trench-MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelements mit einer Feldelektrode mit variierendem Potential.
  • 2 zeigt ein als Trench-MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelements mit mehreren in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten Feldelektroden mit variierendem Potential.
  • 3 zeigt ein weiteres als Trench-MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelement mit mehreren in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten Feldelektroden mit variierendem Potential.
  • 4 zeigt ein weiteres als Trench-MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelement mit mehreren in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten Feldelektroden die mittels Tunnel-Isolationsschichten potentialmäßig an die Driftzone oder aneinander gekoppelt sind.
  • 5 zeigt eine vertikale pn-Diode mit einer Feldelektrode mit variierendem Potential.
  • 6 zeigt eine vertikale Schottky-Diode mit Feldelektrode.
  • 7 zeigt einen vertikalen MOSFET mit planarer Gate-Elektrode und Feldelektrode.
  • 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen vertikalen, als Trench-MOSFET ausgebildeten Halbleiterbauelements mit mehreren in vertikaler Richtung in der Driftzone übereinander angeordneten Feldelektroden, die jeweils an Halbleiterzonen eines zweiten Leitungstyps gekoppelt sind.
  • 9 zeigt in 2a einen Querschnitt durch die Bauelemente gemäß der 1 bis 4 und 8 für den Fall eines aus streifenförmig aufgebauten Transistorzellen bestehenden Transistors und in 2b einen Querschnitt durch das Bauelement gemäß der 1 bis 4 und 8 für den Fall eines aus rechteckförmig aufgebauten Transistorzellen bestehenden Transistors.
  • 10 zeigt ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes vertikales Halbleiterbauelement mit mehreren in vertikaler Richtung in der Driftzone übereinander angeordneten Feldelektroden, die jeweils an Halbleiterzonen eines zweiten Leitungstyps gekoppelt sind.
  • 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen als MOS-Transistor ausgebildeten vertikalen Halbleiterbauelements mit unterschiedlichen Feldelektrodenstrukturen.
  • 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen als MOS-Transistor ausgebildeten Halbleiterbauelements mit in der Driftzone übereinander angeordneten Feldelektroden.
  • 13 zeigt in 13a einen Querschnitt durch das Bauelement gemäß 12 in der Schnittebene B-B und in 13b einen Querschnitt durch das Bauele ment gemäß 12 in der Schnittebene C-C für den Fall eines Transistors mit rechteckförmiger Zellenstruktur.
  • 14 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Driftzone eines Halbleiterbauelements gemäß 12.
  • 15 veranschaulicht eine Abwandlung des Verfahrens gemäß 14.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile und Halbleiterzonen mit gleicher Bedeutung.
    •
  • 1 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen zellenartig aufgebauten vertikalen Graben-MOSFET (Trench-MOSFET).
  • Das Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer Rückseite 101 und einer Vorderseite 102, wobei der Halbleiterkörper im Bereich der Rückseite zur Realisierung des dargestellten n-leitenden Bauelements eine stark n-dotierte Halbleiterzone 20 aufweist, die die Drain-Zone des Bauelements bildet. An diese Drain-Zone 20 schließt sich in vertikaler Richtung eine schwächer als die Drain-Zone 20 dotierte Driftzone 30 an. Im Bereich der Vorderseite 102 des Bauelements sind n-dotierte Source-Zonen 60 vorhanden, die durch p-dotierte Body-Zonen 52 von der Driftzone 30 getrennt sind. Ausgehend von der Vorderseite 102 erstrecken sich Gräben in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein, wobei in diesen Gräben durch eine Isolationsschicht 72 gegenüber dem Halbleiterkörper elektrisch isoliert Gate-Elektroden 70 angeordnet sind, die sich in vertikaler Richtung von Höhe der Source-Zonen 60 bis auf Höhe der Driftzone 30 erstrecken, um bei anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an einen nur schematisch dargestellten, die einzelnen Gate-Elektroden 70 miteinander verbindenden Gate-Anschluss G die Ausbildung leitender Kanäle in der Body-Zone 52 zwischen der Source-Zone 60 und der Driftzone 30 zu bewirken.
  • Die Body-Zone 52 erstreckt sich in einzelnen Anschnitten bis an die Vorderseite 102, wo die Source-Zone und die Body-Zone 52 gemeinsam durch eine Source-Elektrode 62 kontaktiert sind. Die Drain-Zone im Bereich der Rückseite 101 des Halbleiterkörpers ist durch eine Drain-Elektrode 22 kontaktiert.
  • Unterhalb der Gate-Elektrode 70 ist in der Driftzone 30 isoliert gegenüber der Driftzone 30 eine Feldelektrode 90A ausgebildet, die mittels einer Isolationsschicht 92A gegenüber der Driftzone 30 isoliert ist.
  • Diese Feldelektrode 90A ist derart ausgebildet, dass deren elektrisches Potential in vertikaler Richtung der Driftzone variiert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass an ein der Vorderseite 102 bzw. der Gate-Elektrode 70 zugewandtes Ende der einen langgestreckten Feldelektrode ein erstes elektrisches Potential V1 und an ein der Rückseite bzw. der Drain-Zone zugewandtes Ende ein zweites elektrisches Potential V2 angelegt wird, das in dem Beispiel größer als das erste Potential V1 ist.
  • Die Funktionsweise einer solchen Feldelektrodenanordnung wird für den Sperrfall nachfolgend kurz erläutert.
  • Bei sperrend angesteuerter Gate-Elektrode 70 und Anlegen einer positiven Spannung zwischen Drain 22, D und Source 62, S sperrt das dargestellte n-leitende Bauelement, und eine Raumladungszone breitet sich ausgehend von der Body-Zone 52 aus. Das Potential in der Driftzone 30 nimmt dabei ausgehend von der Drain-Zone 20 in Richtung der Body-Zone 52 ab. Das in der Feldelektrode 90A in Richtung der Drain-Zone 20 zunehmende Potential bewirkt, dass die Spannungsbelastung der Isolati onsschicht 92A in der Nähe der Drain-Zone geringer ist als bei herkömmlichen Bauelementen, bei denen die Feldelektrode auf einem einzigen Potential liegt. Hieraus folgt, dass bei dem dargestellten Bauelement eine dünnere Isolationsschicht als bei herkömmlichen Bauelementen gewählt werden kann.
  • Aus den unterschiedlichen Potentialen V1, V2 resultiert ein Spannungsabfall über der Feldelektrode 90A mit Potentialwerten die zwischen dem ersten und zweiten Potential liegen.
  • Die Bereitstellung des ersten und zweiten Potenzials V1, V2 kann auf beliebige Weise, beispielsweise durch externe, in nicht näher dargestellter Weise an die Enden der Feldelektrode 90A gekoppelte Potenzialquellen erfolgen. Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, das obere und untere Ende der Feldelektrode 90A jeweils an unterschiedliche Feldringe an der Vorderseite 102 im Randbereich des Halbleiterkörpers zu koppeln.
  • 2 zeigt eine Abwandlung des Graben-MOSFETs gemäß 1. Anstelle der einen Feldelektrode gemäß 1 ist bei dem Bauelement gemäß 2 eine Feldelektrode in Anordnung mit drei in vertikaler Richtung der Driftzone 30 übereinander angeordneten Feldelektroden 90D–90F vorgesehen, die mittels einer Isolationsschicht 92D gegenüber der Driftzone 30 und gegeneinander isoliert sind.
  • An die einzelnen Feldelektroden 90D, 90E, 90F sind unterschiedliche elektrische Potenziale V1, V2, V3 angelegt, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel V1 < V2 < V3 gilt. Die Dicke der Isolationsschicht zwischen den einzelnen Feldelektroden 90D–90F ist so an die angelegten Potenziale V1–V3 angepasst, dass kein Spannungsdurchbruch zwischen den einzelnen Feldelektroden erfolgen kann. Das erste an der Feldelektrode 90D anliegende Potenzial V1 entspricht beispielsweise dem Source-Potential. Unter der Annahme, dass über der Driftzone 30 im Sperrfall eine Spannung V abfällt, gilt für das zweite und dritte Potenzial vorzugsweise: V3=2/3·V und V2=1/3·V Die maximale Spannungsbelastung der die Feldelektroden 90D–90F umgebende Isolationsschicht 92D beträgt dann 1/3·V und ist damit erheblich niedriger als bei herkömmlichen Bauelementen, bei denen diese Spannungsbelastung der Isolationsschicht der gesamten zwischen Drain und Source anliegenden Spannung entspricht, wenn die Feldelektrode auf Source-Potentialliegt.
  • Bei dem Bauelement gemäß 2 ist die Isolationsschicht 92D zwischen den Feldelektroden 90D–90F und der Driftzone 30 gleichmäßig dick. Davon unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß 3, bei dem ebenfalls drei Feldelektroden 90D–90F in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordnet sind, bei dem jedoch die Dicke der Isolationsschicht 92D zwischen den Feldelektroden 90D–90F und der Driftzone 30 in Richtung der Drain-Zone 20 zunimmt.
  • Während bei dem Bauelement gemäß 3 die Dicke der Isolationsschicht 92D in Richtung der Drain-Zone 20 insgesamt zunimmt, ist bei einem nicht mehr dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Dicke der Isolationsschicht nur jeweils entlang der Feldelektroden zunimmt.
  • Auch bei den Graben-Transistoren gemäß der 2 und 3 können die an die Feldelektroden 90D–90F anzulegenden elektrischen Potenziale V1–V3 in beliebiger Weise durch externe Potenzialquellen bereitgestellt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, auch diese elektrischen Potenziale durch Feldringe zu erzeugen, die in nicht näher dargestellter Weise unterhalb der Vorderseite 102 im Randbereich angeordnet sind. Das Vorsehen solcher Feldringe zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Randbereich ist hinlänglich bekannt, wobei diese Feldringe auch zur Erzeugung der an die Feldelektroden anzulegenden Potenziale V1–V3 verwendet werden können.
  • 4 zeigt einen Graben-MOSFET, bei dem drei Feldelektroden 90G–90J in vertikaler Richtung übereinanderliegend isoliert gegenüber der Driftzone 30 und unterhalb der Gate-Elektrode 70 angeordnet sind. Zur Einstellung der elektrischen Potenziale dieser Feldelektroden 90G–90J sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sogenannte Tunnel-Isolationsschichten 92G–92H–92J vorgesehen. Die unmittelbar zur Gate-Elektrode 72 angeordnete Feldelektrode 90G ist dabei über eine solche Tunnel-Isolationsschicht 92G gegenüber der Driftzone 30 isoliert. Die benachbart zu der Drain-Zone 20 angeordnete Feldelektrode 90J ist mittels einer Tunnel-Isolationsschicht gegenüber der Driftzone 30 isoliert, und diese Feldelektrode 90J und die weitere Feldelektrode 90H sind gegeneinander mittels einer solchen Tunnel-Isolationsschicht 92H isoliert.
  • Diese Tunnel-Isolationsschichten 92G–92J sind beispielsweise als sogenannte Tunneloxide ausgebildet und besitzen eine definierte Tunnelspannung, wodurch in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sichergestellt ist, dass das Potenzial der Feldelektrode 90J maximal um den Wert dieser Durchbruchspannung kleiner ist als das Potenzial des die Feldelektrode 90J umgebenden Abschnitts der Driftzone 30. Weiterhin ist das Potenzial der Feldelektrode 90G maximal um den Wert dieser Durchbruchspannung kleiner als das Potenzial des diese Feldelektrode 90G umgebenden Abschnitts der Driftzone 30. Das Potenzial der Feldelektrode 90H ist über das Tunneloxid 92H an das Potenzial der Feldelektrode 90J gekoppelt, wodurch das Potenzial dieser Feldelektrode 90H maximal um den Wert der Durchbruchspannung dieses Tunneloxids 92H kleiner als das Potenzial der Feldelektrode 90J wird.
  • Das Bauelement gemäß 4 bietet den Vorteil, dass die Potenziale der Feldelektroden 90G–90J sich abhängig vom Potenzial der umgebenen Driftzone 30 einstellen.
  • 5 zeigt ein als pn-Diode ausgebildetes vertikales Halbleiterbauelement, das sich von dem in 1 dargestellten im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass keine Source-Zone 60 und keine Gate-Elektrode 70 vorhanden ist. Die oberhalb der Driftzone 30 angeordnete p-dotierte Halbleiterzone 52 bildet bei diesem Bauelement die Anodenzone und die darüber angeordnete Anschlusselektrode 62 die Anodenelektrode. Die im Bereich der Rückseite 101 angeordnete stark n-dotierte Halbleiterzone 20, die bei einem MOSFET dessen Drain-Zone bildet, bildet bei dem Diodenbauelement gemäß 5 dessen Kathodenzone.
  • Wie bei dem zuvor erläuterten Graben-MOSFET erstreckt sich auch bei der Diode gemäß 5 ein Graben ausgehend von der Vorderseite 102 in vertikaler Richtung in das Halbleiterbauelement hinein, wobei dieser Graben knapp oberhalb der Drain-Zone 20 endet oder in diese eintauchen kann. In dem Graben ist isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 eine Feldelektrode 90B angeordnet.
  • In 5 ist lediglich eine solche Feldelektrode 90B dargestellt, an die im Übergangsbereich zwischen der Driftzone 30 und der Anodenzone 52 ein erstes Potenzial V1 und im unteren Bereich benachbart zu der Drain-Zone 20 ein zweites Potenzial V2 angelegt ist, wobei V2 > V1 gilt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Feldelektrode 90B insbesondere im Bereich der Driftzone 30 selbstverständlich auch entsprechend der Feldelektrodenanordnung im Bereich der Driftzone gemäß der zuvor erläuterten 2 bis 4 ausgebildet sein kann.
  • Entsprechendes gilt für die in 6 dargestellte Schottky-Diode, die sich von der in 5 dargestellten pn-Diode im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass im Bereich der Vorderseite 102 keine p-dotierte Halbleiterzone vorhanden ist, sondern dass eine Anschlusselektrode 64 gewählt ist, die einen Schottky-Kontakt mit der Driftzone 30 des Bauelements bildet.
  • Das erläuterte Feldelektrodenkonzept ist auch auf MOSFET anwendbar, bei denen die Gate-Elektrode 70 oberhalb der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist, was in 7 dargestellt ist. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines sogenannten DMOSFETs, bei dem sich Gräben ausgehend von der Vorderseite 102 in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper 100 hineinerstrecken, wobei in diesen Gräben Feldelektroden 90C, 90D angeordnet sind. Diese Feldelektroden 90C, 90D sind mittels Isolationsschichten 92C, 92D gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert. Gräben mit Feldelektroden erstrecken sich in dem Ausführungsbeispiel sowohl durch die Body-Zone 52 als auch unmittelbar unterhalb der Gate-Elektrode 70 ausgehend von der Vorderseite 102 in den Halbleiterkörper hinein. Wenngleich in 7 in jedem Graben lediglich eine solche Feldelektrode dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, dass diese Feldelektroden selbstverständlich in der anhand der zuvor erläuterten 2 bis 4 dargestellten Weise ausgebildet sein können.
  • 8 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen zellenartig aufgebauten vertikalen Graben-MOSFET (Trench-MOSFET).
  • Das Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer Rückseite 101 und einer Vorderseite 102, wobei der Halbleiterkörper im Bereich der Rückseite zur Realisierung des dargestellten n-leitenden Bauelements eine stark n-dotierte Halbleiterzone 20 aufweist, die die Drain-Zone des Bauelements bildet. An diese Drain-Zone 20 schließt sich in vertikaler Richtung eine schwächer als die Drain-Zone 20 dotierte Drift-Zone 30 an. Im Bereich der Vorderseite 102 des Bauelements sind n-dotierte Source-Zonen 60 vorhanden, die durch p-dotierte Body-Zonen 52 von der Driftzone 30 getrennt sind. Ausgehend von der Vorderseite 102 erstrecken sich Gräben in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein, wobei in diesen Gräben durch eine Isolationsschicht 72 gegenüber dem Halbleiterkörper elektrisch isoliert Gate-Elektroden 70 angeordnet sind, die sich in vertikaler Richtung von Höhe der Source-Zonen 60 bis auf Höhe der Driftzone 30 erstrecken, um bei Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials an einen nur schematisch dargestellten, die einzelnen Gate-Elektroden 70 miteinander verbindenden Gate-Anschluss die Ausbildung leitender Kanäle in der Body-Zone 52 zwischen der Source-Zone 60 und der Driftzone 30 zu bewirken.
  • In der Driftzone 30 sind wenigstens zwei Feldelektroden 40 vorgesehen, die in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers übereinanderliegend angeordnet sind. Die Feldelektroden bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material und sind durch Isolationsschichten 42 gegenüber der Driftzone 30 isoliert.
  • Im vorliegenden Fall sind diese Feldelektroden jeweils unterhalb der Gate-Elektroden 70 angeordnet, um in Verlängerung der Body-Zone 52 einen leitenden Kanal in der Driftzone 30 zwischen der Body-Zone 52 und der Drain-Zone 20 freizulassen.
  • Die Geometrie dieser Feldelektroden in Draufsicht entspricht beispielsweise der Geometrie der in dem Graben angeordneten Gate-Elektroden 70, so dass bei sogenannten Streifenzellen, bei denen die Gate-Elektroden langgestreckt senkrecht zu der in 8 dargestellten Zeichenebene verlaufen, die Feldelektroden 40 und die die Feldelektroden 40 umgebenden Isolationszonen ebenfalls langgestreckt verlaufen, wie in dem Querschnitt in 9a dargestellt ist.
  • Bei Zellen in Rechteckstruktur, bei denen die Gate-Elektroden in Draufsicht ein Gitter mit rechteckförmigen Aussparungen, in denen die Source-Zonen 60 und die darunter liegenden Body-Zonen 52 angeordnet sind, bilden die Feldelektroden 40 und die die Feldelektroden 40 umgebenden Isolationszonen 42 ebenfalls ein solches Gitter, wie in 9b dargestellt ist.
  • Entsprechend besitzen die Feldelektroden bei hexagonalen Gate-Strukturen in Draufsicht ebenfalls eine hexagonale Struktur, wobei die Geometrie der Kompensationsstruktur mit den Feldelektroden auch unabhängig von der Geometrie des Zellenfeldes sein kann. Es wird darauf hingewiesen, dass auch bei den zuvor anhand der 1 bis 7 erläuterten Bauelementen die Gate-Elektroden und Feldelektroden in einer streifenförmigen oder gitterförmigen Struktur ausgebildet sein können.
  • Die einzelnen Feldelektroden 40, von denen in dem Beispiel in 8 jeweils zwei in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind, verjüngen sich in dem Ausführungsbeispiel in vertikaler Richtung nach unten, das heißt zur Drainzone 20 hin.
  • Jeder Feldelektrode 40 ist in dem Beispiel eine floatend in der Driftzone 30 angeordnete p-dotierte Halbleiterzone zugeordnet, wobei diese Halbleiterzonen in 8 mit den Bezugszeichen 43A–43E bezeichnet sind. Diese Halbleiterzonen 43A–43E können in der Driftzone 30 an verschiedenen Positionen bezogen auf die Feldelektroden 40 angeordnet sein, wobei in 8 verschiedene solcher Positionierungen dargestellt sind.
  • Die Feldelektroden 40 sind jeweils einer dieser floatenden Halbleiterzonen 43A–43E zugeordnet und so mit diesen Halbleiterzonen 43A–43E gekoppelt, dass sie dasselbe elektrische Potential wie die zugeordnete Halbleiterzone 43A–43E aufweisen. Die potentialmäßige Kopplung zwischen den Feldelektroden 40 und den Halbleiterzonen 43A–43E kann in beliebiger herkömmlicher Weise erfolgen, wobei diese Kopplung in 8 lediglich schematisch durch verbindende Striche zwischen jeder Feldelektrode 40 und der ihr zugeordneten Halbleiterzone 43A–43E angedeutet ist.
  • Wie am Beispiel der Halbleiterzone 43E veranschaulicht ist, besteht die Möglichkeit, auch mehrere Feldelektroden 40 an eine Halbleiterzone anzuschließen, wobei vorzugsweise solche Feldelektroden 40 an eine gemeinsame Halbleiterzone angeschlossen werden, die sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers auf einer Höhe befinden.
  • Die Halbleiterzonen 43B, 43C in dem Beispiel gemäß 1 befinden sich unmittelbar oberhalb der die Feldelektroden 40 umgebenden Isolationsschicht 42. Die Halbleiterzone 43A ist zwei Feldplattezonen 40 zugeordnet, und befindet sich in lateraler Richtung in etwa in der Mitte zwischen diesen Feldelektroden. Schließlich zeigt 8 eine Halbleiterzone 43D, die diagonal oberhalb der Feldelektrode 40 angeordnet ist und die zudem an die in lateraler Richtung benachbarte Feldelektrode 40 gekoppelt ist.
  • Die Funktionsweise dieser Feldelektroden 40 und der den Feldelektroden 43A–43E zugeordneten Halbleiterzonen wird nachfolgend kurz erläutert.
  • Im Sperrfall des Bauelements, also bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen Drain D und Source S und bei nicht leitend angesteuerter Gate-Elektrode 70 breitet sich in der Driftzone 30 ausgehend von der Body-Zone 52 eine Raumladungszone aus, die sich mit zunehmender Spannung in Richtung der Drain-Zone 20 ausbreitet. Erfasst die Raumladungszone eine der Halbleiterzonen 43A–43E, so nimmt die mit der jeweiligen Halbleiterzone gekoppelte Feldelektrode 40 das Potential an, das die Raumladungszone an der Position der zugeordneten floatenden Halbleiterzone 43A–43E aufweist.
  • Um die Feldelektroden 40 im Sperrfall in etwa auf dem Potential zu halten, das die Raumladungszone auf Höhe der Feldelektrode aufweist, sind die floatend angeordneten Halbleiterzonen 43A–43E in etwa in vertikaler Richtung auf der Höhe der ihnen zugeordneten Feldelektroden 40 angeordnet. Auf Höhe der zugeordneten floatenden Halbleiterzone 43A–43E ist die Spannungsbelastung der die Feldelektroden 40 umgebenden Iso lationsschicht 42 damit Null, wobei die Spannungsbelastung mit zunehmendem vertikalen Abstand von der floatenden Halbleiterzone zunimmt. Bei den Beispielen, bei denen die floatende Halbleiterzone 43B, 43D unmittelbar oberhalb der Feldelektrode angeordnet ist, entspricht die maximale Spannungsbelastung der Isolationsschicht 42 dem Spannungsabfall entlang der zugeordneten Feldelektrode 40 in der Driftzone 30. Um der in diesem Fall in vertikaler Richtung zunehmenden Spannungsbelastung zu begegnen, nimmt die Dicke der Isolationsschicht 42 mit zunehmendem Abstand zu der floatenden Halbleiterzone zu.
  • 10 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines als Diode ausgebildeten erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, das einen Halbleiterkörper 100 mit einer stark n-dotierten Halbleiterzone 20 im Bereich der Rückseite 101 aufweist, wobei diese Halbleiterzone 20 als Kathodenzone der Diode dient. Dieser Kathodenzone 20 schließt sich eine schwächer als die Kathodenzone 20 dotierte Driftzone 30 an, wobei im Bereich der Vorderseite 102 eine p-dotierte Halbleiterzone 54 ausgebildet ist, die die Anodenzone bildet.
  • In der Driftzone 30 sind in der bereits erläuterten Weise jeweils mehrere Feldelektroden 40, die jeweils von Isolationsschichten 42 umgeben sind, in vertikaler Richtung der Driftzone 30 übereinander angeordnet.
  • In dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 ist jeder Feldelektrode 40 eine floatend angeordnete Halbleiterzone 43B zugeordnet, die jeweils unmittelbar oberhalb der Isolationsschicht 42 der Feldelektroden 40 angeordnet ist. Die am nächsten zu der p-dotierten Anodenzone 54 gelegenen Feldelektroden 40A sind dabei potentialmäßig mit dieser p-dotierten Anodenzone 54 gekoppelt, wobei diese Feldplatten 40A stets das Potential der Anodenzone 54 aufweisen.
  • Die Funktionsweise der Feldelektroden 40, 40A in der Driftzone 30 entspricht der bereits zuvor anhand des Transistors in 1 erläuterten Funktion dieser Feldelektroden. Bei Anlegen einer den pn-Übergang zwischen der Anodenzone 54 und der Driftzone 30 in Sperrrichtung polenden Spannung zwischen dem Anodenanschluss A und dem Kathodenanschluss K breitet sich ausgehend von der Anodenzone 54 eine Raumladungszone aus, die mit zunehmender Sperrspannung in vertikaler Richtung nach und nach die floatenden p-dotierten Halbleiterzonen 43B erfasst und dadurch das Potential der mit diesen Halbleiterzonen 43B potentialmäßig gekoppelten Feldelektroden 40 auf einem Potential festhält, das dem Potential der Raumladungszone an der Position der den Feldelektroden 40 zugeordneten Halbleiterzonen 43B entspricht.
  • 11 zeigt in Seitenansicht einen Querschnitt eines als DMOS-Transistor ausgebildeten vertikalen Halbleiterbauelements, bei dem im Gegensatz zu dem Transistor gemäß 8 und entsprechend dem Bauelement in 7 die Gate-Elektrode 7C oberhalb der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist, wobei sich Abschnitte der Body-Zone 52 und der Driftzone 30 bis an die Vorderseite 102 erstrecken, so dass bei Anlegen einer Ansteuerspannung an die Gate-Elektrode 70 in der Body-Zone 52 ein leitender Kanal unterhalb der Vorderseite 102 zwischen der Source-Zone 60 und der Driftzone 30 ausgebildet wird.
  • In 11 sind zwei weitere Realisierungsmöglichkeiten für Feldelektroden dargestellt, wobei diese Feldelektroden im einen Fall mit den Bezugszeichen 40 und 40A und im anderen Fall mit den Bezugszeichen 40D und 40C bezeichnet sind.
  • Das Bauelement ist zellenartig aufgebaut, wobei die einzelnen Zellen in der bereits zuvor erläuterten Weise beispielsweise eine streifenförmige, rechteckförmige oder hexagonale Struktur aufweisen. Die mehreren jeweils in vertikaler Richtung der Driftzone 30 übereinander angeordneten Feldelektroden 40, 40A bzw. 40D, 40C sind beim Beispiel des DMOS-Transistors unterhalb der Body-Zonen 52 angeordnet, so dass unterhalb der Gate-Elektrode 70 in der Driftzone 30 ein zum Ladungsträgertransport dienender Kanal der Driftzone 30 gebildet ist.
  • Bei dem im linken Teil der 11 dargestellten Ausführungsbeispiel der Feldelektroden 40, 40A sind diese Feldelektroden von einer gemeinsamen Isolationsschicht 42B umgeben. Die am nächsten zur Body-Zone 52 angeordnete Feldelektrode 40A ist dabei potentialmäßig an die Body-Zone 52 gekoppelt. Den weiteren Feldelektroden 40B ist jeweils eine p-dotierte floatend in der Driftzone 30 angeordnete Halbleiterzone 43F zugeordnet, mit der die jeweilige Feldelektrode 408 potentialmäßig gekoppelt ist. Die Feldelektroden 40 sind so ausgebildet, dass sie sich jeweils in vertikaler Richtung mit zunehmendem Abstand zu der zugeordneten floatenden Halbleiterzone 43F verjüngen, wodurch die Dicke der Isolationsschicht in dieser Richtung zunimmt.
  • Im Sperrfall steigt das Potential der Raumladungszone in Richtung der Drain-Zone 20 an. Davon ausgehend, dass die Feldelektroden 40 durch die floatenden Halbleiterzone 43F auf einem Potential festgehalten werden, das in vertikaler Richtung am oberen Ende der Feldelektrode 40 in der Driftzone 30 herrscht, nimmt die Potentialdifferenz zwischen der Feldelektrode 40 und der in lateraler Richtung benachbart zu der Feldelektrode 40 angeordneten Driftzone 30 jeweils in Richtung der Drain-Zone 20 zu, woraus eine steigende Spannungsbelastung der Isolationsschicht resultiert, der durch die dicker werdende Isolationsschicht begegnet wird.
  • Im rechten Teil der 11 ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit der Feldelektroden dargestellt, wobei die Feldelektroden 40C, 40D in diesem Fall in vertikaler Richtung einen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen. Die am nächsten zur Body-Zone 52 angeordnete Feldelektrode 40C ist potentialmäßig an die Body-Zone 52 gekoppelt.
  • Die weiteren Feldelektroden 40D sind jeweils an eine floatend in der Driftzone 30 angeordnete p-dotierte Halbleiterzone 43G gekoppelt, wobei diese Halbleiterzone 43G oberhalb der Feldelektroden 40D angeordnet sind und sich unmittelbar an die Feldelektroden 40D anschließen. Die Abmessungen dieser p-dotierten Halbleiterzonen 43G in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene können dazu ausgebildet sein, die Feldelektrode 40D vollständig oder nur abschnittsweise abzudecken, wobei zwischen der Feldelektroden 40D und der Driftzone 30 in nicht durch die Halbleiterzonen 43G abgedeckten Bereichen eine Isolationsschicht 42D angeordnet ist, wie für die mittlere der Feldelektroden 40D im rechten Teil von 11 dargestellt ist.
  • 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als DMOS-Transistor ausgebildeten vertikalen Halbleiterbauelements mit in der Driftzone 30 übereinander angeordneten Feldelektroden 40E, die jeweils durch Isolationsschichten 42E gegenüber der Driftzone 30 isoliert sind. Diese Isolationsschichten 42E weisen im oberen Bereich oberhalb der Feldelektroden 40E jeweils Aussparungen 44E auf, in denen sich jeweils p-dotierte Halbleiterzonen bis an die Feldelektroden 42E erstrecken. Die Halbleiterzone 43H der am nächsten zur Body-Zone 52 angeordneten Feldelektrode 40E ist in dem Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, dass sich diese Halbleiterzone 43H mit der Body-Zone 52 überlappt, wodurch sich die Feldelektrode 40E im wesentlichen auf dem Potential der Body-Zone 52 befindet. Die übrigen p-dotierten Halbleiterzonen 43H sind floatend angeordnet.
  • 13a zeigt einen Querschnitt durch das Bauelement gemäß 12 in der in 5 eingezeichneten Schnittebene B-B für den Fall eines zellenartig aufgebauten Bauelements mit rechteckförmig strukturierten Transistorzellen. Selbstverständlich kann diese Transistorzelle anstelle einer rechteckförmigen Struktur auch eine hexagonale Struktur aufweisen.
  • 13b zeigt einen Querschnitt durch das Bauelement in 12 in der dargestellten Schnittebene C-C, woraus ersichtlich ist, dass die Feldelektroden 40E und die Feldelektroden umgebende Isolationsschicht 42E einen entsprechenden Querschnitt aufweisen, im vorliegenden Fall also ebenfalls rechteckförmig ausgestaltet sind.
  • Nachfolgend wird anhand von 14 ein mögliches Herstellungsverfahren für die Feldelektroden 40E, die die Feldelektroden 40E umgebende Isolationsschicht 42E und die floatend angeordnete Halbleiterzone 43H für ein Bauelement gemäß 12 erläutert.
  • Bezugnehmend auf 14a umfasst das Verfahren zunächst das Bereitstellen einer n-dotierten Halbleiterschicht 30A, die einen Teil der späteren Driftzone 30 bildet. 14 veranschaulicht das Verfahren für die Herstellung der nächstliegend zu der Drain-Zone 20 angeordneten Feldelektrode 40E, so dass die Halbleiterschicht 30A in diesem Beispiel auf die Drain-Zone 20 aufgebracht ist.
  • In einem nächsten Verfahrensschritt ist vorgesehen, ausgehend von einer Oberfläche dieser Halbleiterschicht 30A einen Graben 80 in der Halbleiterschicht 30A zu erzeugen, wie dies im Ergebnis in 14b dargestellt ist.
  • Wie in 14c gezeigt, wird anschließend eine Isolationsschicht 42E' auf Seitenwände und den Boden der Aussparung 80 aufgebracht, wobei diese Isolationsschicht 42E' derart ausgebildet ist, dass an den Seitenwänden des Grabens 80 die Schichtdicke mit zunehmender Grabentiefe zunimmt, woraus eine sich nach unten verjüngende Aussparung in der Isolationsschicht 42E' resultiert.
  • Ein mögliches Verfahren zur Herstellung einer solchen Isolationsschicht 42E' mit nach unten an den Seitenwänden zuneh mender Schichtdicke ist beispielsweise in der eingangs erwähnten US 6,365,462 B2 beschrieben. Alternativ zu der in 14c dargestellten Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, die Isolationsschicht 42E' so auszubilden, dass deren Dicke in vertikaler Richtung mit zunehmende Tiefe der Aussparung 82 stufenweise zunimmt.
  • Bezugnehmend auf 14d wird die Aussparung 82 anschließend mit einem gut elektrisch leitfähigen Material, das die spätere Feldelektrode 40E bildet teilweise aufgefüllt. Dieses Material besteht vorzugsweise aus einem stark dotierten Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps.
  • Bezugnehmend auf 14e wird anschließend eine eine Aussparung 83 aufweisende Isolationsschicht 42E' oberhalb des elektrisch leitenden Materials 40E aufgebracht. Das Herstellen dieser Isolationsschicht 42E" mit der Aussparung 83 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf dem Halbleitermaterial 40E eine Oxidschicht aufgebracht wird, in die anschließend unter Verwendung einer Maskentechnik die Aussparung 82 geätzt wird. Diese Isolationsschicht 42E' mit der Aussparung ist optional. Eine anhand von 14f noch zu erläuternde Halbleiterschicht 30B kann auch unmittelbar auf das leitende Material aufgebracht werden.
  • Auf die erste Halbleiterschicht 30A wird anschließend eine zweite ebenfalls n-dotierte Halbleiterschicht 308 aufgebracht, die einen weiteren Abschnitt der späteren Driftzone 30 bildet. Diese Halbleiterschicht 30B wird vorzugsweise mittels Epitaxie auf die erste Halbleiterschicht 30A aufgebracht, wobei auch Halbleitermaterial in die Aussparung 83 der Isolationsschicht 42E' eingebracht wird. An das Aufbringen dieser Epitaxieschicht 30B schließt sich ein Diffusionsschritt an, bei dem p-Dotierstoffe aus der stark dotierten Halbleiterzone 40E über die Aussparung in der Isolationsschicht 42E' ausdiffundieren, um so in und um die Aussparung in der Isolationsschicht 42E' die p-dotierte Halbleiterzone 43H zu erzeugen.
  • Der anhand der 14a bis 14f erläuterte Prozess kann sich abhängig von der gewünschten Anzahl der zu erzeugenden Feldelektroden 40E beliebig wiederholen. Bei dem erläuterten Verfahren würde sich ausgehend von der Struktur in 14f die Erzeugung einer Aussparung in der zweiten Halbleiterschicht 30B anschließen usw. In der letzten aufgebrachten Epitaxieschicht, die die spätere Vorderseite des Halbleiterbauelements bildet, werden dann in hinlänglich bekannter Weise die in 12 dargestellten Body- und Source-Zonen 52, 60 erzeugt. Anschließend werden die Gate-Elektroden 70 und der die Source-Zone 60 und die Body-Zone 52 kontaktierende Source-Kontakt 62, der gegenüber der Gate-Elektrode 70 isoliert ist, hergestellt.
  • 15 veranschaulicht ausgehend von der bereits in 14e erläuterten Struktur mit der Feldelektrode 40E, und der die Feldelektrode 40E umgebenden, oberhalb der Feldelektrode 40E eine Aussparung aufweisenden Isolationsschicht 42E', 42E" eine Abwandlung des erläuterten Verfahrens. Bei dieser Abwandlung des Verfahrens ist vorgesehen, als Feldplattenmaterial beispielsweise ein Metall vorzusehen. In diesem Fall wird von der zweiten Halbleiterschicht 30B zunächst nur eine Teilschicht 30B' abgeschieden, die anschließend unter Verwendung einer Maske 200 in einem Bereich oberhalb der Feldelektrode 40E p-dotiert wird, um die spätere floatend angeordnete Halbleiterzone 43H zu erzeugen. An diesen Dotierschritt schließt sich das Abscheiden einer zweiten Teilschicht 30B2' an, wobei die erste und zweite Teilschicht 30B', 30B2' die zweite Halbleiterschicht 30B bilden.
  • Die die Feldelektrode seitlich umgebende Isolationsschicht 42E' und die oberhalb der Feldelektrode 40E angeordnete, die Aussparung 83 aufweisende Isolationsschicht 72E2' bilden gemeinsam die Isolationsschicht 42E gemäß 12, wobei auf grund der an den Seiten dicker werdenden Isolationsschicht 42E' einer sich nach unten verjüngenden Feldelektrode 40E resultiert.
  • Die Isolationsschicht 42E besteht vorzugsweise aus einem Oxid. Wie in 11 im linken Teil dargestellt ist, sind die floatenden Halbleiterzonen 43F vorzugsweise durch eine schwächer p-dotierte Halbleiterzone 44 miteinander verbunden und vorzugsweise an die Body-Zone 52 bei einem MOS-Transistor bzw. die Anodenzone bei einer Diode angeschlossen. Diese p-leitende Zone ist in 11 mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet und dient dazu, beim Wiedereinschalten des Bauelements die in den floatenden Halbleiterzonen 43F gespeicherten Ladungsträger schneller abzuführen. Eine derartige p-dotierte Zone 44 kann selbstverständlich bei allen in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehen werden, um die floatenden Halbleiterzonen 43 miteinander zu verbinden.
  • Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die zuvor erläuterten floatenden Halbleiterzonen des zweiten Leitungstyps auch durch Halbleiterzonen des ersten Leitungstyps, und damit desselben Leitungstyps wie die Driftzone, ersetzt werden können, wobei diese Halbleiterzone des ersten Leitungstyps höher als die Driftzone, und zwar so hoch dotiert sind, dass sie im Sperrfall nicht vollständig ausgeräumt werden.
    • 100
    Halbleiterkörper
    101
    Rückseite des Halbleiterkörpers
    102
    Vorderseite des Halbleiterkörpers
    20
    Drain-Zone, Kathodenzone
    30
    Driftzone
    30A, 30B
    Halbleiterschichten
    30B', 30B''
    Halbleiterschichten
    40, 40A–40E
    Feldelektroden
    42, 42A–42E
    Isolationsschicht
    42E', 42E''
    Isolationsschichten
    43A°–43H
    floatend angeordnete Halbleiterzonen
    52
    Body-Zone
    54
    Anodenzone
    60
    Source-Zone
    80, 82, 83
    Aussparungen
    90A–90J
    Feldelektroden
    A
    Anodenanschluss
    D
    Drain-Anschluss
    G
    Gate-Anschluss
    K
    Kathodenanschluss
    S
    Source-Anschluss

Claims (21)

  1. Vertikales Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Seite (101) und einer zweiten Seite (102), – eine im Bereich zwischen der ersten und zweiten Seite (101, 102) angeordnete, zur Aufnahme einer Sperrspannung ausgebildete Driftzone (30) eines ersten Leitungstyps, – eine in der Driftzone (30) angeordnete Feldelektrodenanordnung mit wenigstens einer teilweise isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper (100) angeordneten elektrisch leitenden Feldelektrode (40; 40A–40E; 90A–90J), gekennzeichnet, durch wenigstens eine floatend in der Driftzone (30) ausgebildete oder anschließend an die Driftzone angeordnete Halbleiterzone (52, 43A-43H), wobei die wenigstens eine Feldelektrode (40; 40A–40E) an diese wenigstens eine Halbleiterzone (43A–43H) elektrisch gekoppelt ist, wobei diese Halbleiterzone (52, 43A–43H) vom zweiten Leitungstyp ist oder wobei diese Halbleiterzone (52, 43A–43H) vom selben Leistungstyps wie die Driftzone (30) und stärker als diese Driftzone (30) dotiert ist.
  2. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode (40; 40A; 40C; 40E; 90D–90F) derart ausgebildet, dass sie sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) verjüngt.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die floatende Halbleiterzone (43A–43H) in vertikaler Richtung jeweils oberhalb oder neben der ihr zugeordneten Feldelektrode (40; 40A–40E) angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode (40D; 40E) von einer Isolationsschicht (42D; 42E) umgeben ist, die je eine Aussparung aufweist, durch die sich die Halbleiterzone (43D; 43H) des zweiten Leistungstyps bis an die Feldelektrode (40D; 40E) erstreckt.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Feldelektrode (40A; 40A–40E) aus einem stark dotierten Halbleitermaterial oder aus einem Metall besteht.
  6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem die Feldelektrode vom selben Leitungstyp wie die floatend angeordnete Halbleiterzone ist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als Diodenbauelement mit einem pn-Übergang ausgebildet ist und folgende Merkmale aufweist: – eine erste Anschlusszone (20) des ersten Leitungstyps, die stärker als die Driftzone (30) dotiert ist und die sich im Bereich der ersten Seite (101) an die Driftzone (30) anschließt, – eine zweite Anschlusszone (54) des zweiten Leitungstyps, die sich im Bereich der zweiten Seite (102) an die Driftzone (30) anschließt.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem in vertikaler Richtung übereinanderliegend mehrere Feldelektroden angeordnet sind, wobei die erste Anschlusszone (54) an eine der in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten Feldelektroden (40A) gekoppelt ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das als Schottkydiodenbauelement ausgebildet ist und folgende Merkmale aufweist: – eine sich im Bereich der ersten Seite (101) an die Driftzone (30) anschließenden, mit der Driftzone einen Schottky-Kontakt bildenden Anschlusselektrode (64).
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode (90A) in einem sich ausgehend von der zweiten Seite (102) in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckenden Graben ausgebildet ist.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das als Transistorbauelement ausgebildet ist und folgende weitere Merkmale aufweist: – eine erste Anschlusszone (20) des ersten Leitungstyps, die stärker als die Driftzone (30) dotiert ist und die sich im Bereich der ersten Seite (101) an die Driftzone (30) anschließt, – eine zweite Anschlusszone (60) des ersten Leitungstyps im Bereich einer zweiten Seite (102) des Halbleiterkörpers (100), – eine zwischen der zweiten Anschlusszone (60) und der Driftzone (30) angeordnete Kanalzone (52) des zweiten Leitungstyps, – eine Steuerelektrode (70), die isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper angeordnet ist und die bei Anlegen eines Ansteuerpotentials zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Kanalzone (52) zwischen der zweiten Anschlusszone (60) und der Driftzone (30) dient.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Kanalzone (52) an eine der in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordneten Feldelektroden (40A) gekoppelt ist.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Steuerelektrode (70) in einem sich ausgehend von der zweiten Seite (102) in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckenden Graben ausgebildet ist.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode (40, 40A, 90A–90J) unterhalb der Steuerelektrode (70) in dem Graben angeordnet ist.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Steuerelektrode (70) oberhalb der zweiten Seite (102) des Halbleiterkörpers (100) ausgebildet ist.
  16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode (90C, 90D) in einem sich in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckenden Graben ausgebildet ist.
  17. Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden, gegenüber einer Driftzone (30) eines ersten Leitungstyps teilweise isolierten Feldelektrode (40E), die an eine floatend angeordnete Halbleiterzone (43H) gekoppelt ist in einem vertikalen Halbleiterbauelement, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bereitstellen einer ersten Halbleiterschicht (30A) des ersten Leitungstyps die eine Oberfläche aufweist, – Herstellen eines Seitenwände und einen Boden aufweisenden Grabens (80) in der ersten Halbleiterschicht (30A) ausgehend von der Oberfläche, – Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht (42E') auf Seitenwände und den Boden des Grabens (80), – Einbringen eines die Feldelektrode bildenden elektrisch leitenden Materials (40E) in den Graben (80), – Abscheiden einer zweiten Halbleiterschicht (30B) des ersten Leitungstyps auf die erste Halbleiterschicht (30A) mit dem aufgefüllten Graben, – Erzeugen einer floatend angeordneten Halbleiterzone (43H) des ersten oder zweiten Leitungstyps in der zweiten Halbleiterschicht (30B) oberhalb des Grabens, das die Feldelektrode kontaktiert.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das elektrisch leitende Material (42E) ein mit Dotierstoffen des ersten oder zweiten Leitungstyps dotiertes Halbleitermaterial ist und bei dem die floatend angeordnete Halbleiterzone (43H) durch Ausdiffusion von Dotierstoffatomen des ersten oder zweiten Leitungstyps in die zweite Halbleiterschicht (30B) hergestellt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das elektrisch leitende Material (42E) ein metallisches Material ist und bei dem die floatend angeordnete Zone (43H) durch Einbringen von Ladungsträgern des ersten oder zweiten Leitungstyps über die Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht (30B) erfolgt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die zweite Halbleiterschicht (30B) zweistufig in zwei Teilschichten (30B', 30B'') abgeschieden wird, wobei das Einbringen der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in die zuerst abgeschiedene Halbleiterschicht (30B') erfolgt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem vor dem Abscheiden der zweiten Halbleiterschicht (30B) eine Isolationsschicht (42E'') mit einer Aussparung (83) auf das elektrisch leitende Material (40E) in dem Graben aufgebracht werden.
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