DE10345556B4 - Halbleiterbauelement und Halbleiterbauelementanordnung mit verbessertem Temperaturverhalten - Google Patents

Halbleiterbauelement und Halbleiterbauelementanordnung mit verbessertem Temperaturverhalten Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist:
– ein Zellenfeld mit einer Anzahl in einem Halbleiterkörper integrierter Transistorzellen, die jeweils eine erste Anschlusszone (10), eine zweite Anschlusszone (22), eine zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone angeordnete Kanalzone (30) und eine Ansteuerelektrode (40) zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Kanalzone (30) aufweisen,
– eine erste Anschlusselektrode (50; 150; 250; 350; 450), an die die ersten Anschlusszonen (10) der Transistorzellen gemeinsam angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Anschlusszonen (10) über als Dioden verschaltete Junction-FET an die Anschlusselektrode angeschlossen sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Derartige Halbleiterbauelemente sind hinlänglich bekannt. Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise dieser Bauelemente ist beispielsweise in Sze: „Semiconductor devices, physics and technology”, 2nd edition, Wiley & Sons, 2001, Seiten 186 bis 195 beschrieben. Leistungsbauelemente mit einer Vielzahl gleichartig aufgebauter und parallel geschalteter Transistorzellen sind beispielsweise in Stengl, Tihanyi: „Leistungs-MOS-FET-Praxis”, Pflaum Verlag, München, 1994, Seiten 33–38 beschrieben.
  • 1 zeigt die Übertragungskennlinie eines solchen MOS-Transistors, in der dessen Laststrom bzw. Drain-Source-Strom Ids über dessen Ansteuerspannung bzw. Gate-Source-Spannung Vgs für verschiedene, jeweils konstanten Temperaturen T1, T2, T3 bei einer festen Drain-Source-Spannung Vds aufgetragen ist, wobei T1 < T2 < T3 gilt. Aus der Kennlinie ist ersichtlich, dass mit zunehmender Temperatur die Schwellenspannung, bei der der Transistor zu leiten beginnt, abnimmt, wodurch ein Stromfluss bereits bei niedrigeren Gate-Source-Spannungen einsetzt. Außerdem nimmt bei steigenden Temperaturen der Strom ab, was auf eine niedrigere Ladungstragerbeweglichkeit bei steigenden Temperaturen zurückzuführen ist. Diese beiden Phänomene führen zu einem temperaturstabilen Punkt, der sich durch eine Gate-Source-Spannung Vgs0 auszeichnet, bei der der Laststrom Ids temperaturunabhängig einen konstanten Wert aufweist. Wie aus der Kennlinie ersichtlich ist, führen steigende Temperaturen bei einem Betrieb bei Gate-Source-Spannungen unterhalb dieses temperaturstabilen Punkts Vgs0 zu einem steigenden Laststrom. Es liegt somit eine thermische Mitkopplung vor. Erst bei Gate-Source-Spannungen größer als Vgs0 wird ein Betriebszustand mit einer thermischen Gegenkopplung erreicht, bei dem bei gleicher Gate-Source-Spannung der Strom mit zunehmender Temperatur kleiner wird.
  • Ein Betrieb des Bauelements unterhalb des temperaturstabilen Punkts kann zu Instabilitäten dahingehend führen, dass der bei steigenden Temperaturen ansteigende Strom die Bauelementtemperatur weiter erhöht, was wiederum zu einer Erhöhung des Stromes führt. Bei einem zellenartig aufgebauten Transistor, der eine Vielzahl gleichartiger aufgebauter und parallel geschalteter Transistorzellen aufweist, können sich aufgrund des oben erläuterten Effekts bei Betrieb des Bauelements im Bereich der thermischen Mitkopplung erhebliche Strom- und Temperaturinhomogenitäten ergeben. Bei einem solchen Bauelement erwärmen sich die Zellen bereits abhängig von ihrer Position in dem Zellenfeld unterschiedlich. So erwärmen sich Zellen im Inneren des Zellenfeldes wegen der schlechteren Wärmeabfuhr üblicherweise starker als Zellen im Randbereich des Zellenfeldes. Bei thermischer Mitkopplung übernehmen Zellen, die in einem Bereich höherer Temperatur liegen, einen großeren Anteil des fließenden Laststromes, was wiederum zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur in diesem Bereich des Zellenfeldes und zu einer weiteren Stromerhöhung führt, bis es zu einer Zerstörung einzelner Zellen und damit des Bauelements kommt, während die Temperatur- oder Strombelastung anderer Zellen des Zellenfeldes noch weit von einer zerstörenden Belastung entfernt sein kann. Dieser Effekt, bei dem der Laststrom ungleichmäßig auf die einzelnen Zellen verteilt wird, wird auch als Filamentierung des Stromes bezeichnet.
  • Derartige Probleme können dadurch vermieden werden, dass die Gate-Source-Spannung stets so groß gewählt wird, dass das Bauelement nicht im Betriebszustand der thermischen Mitkopplung, sondern stets bei thermischer Gegenkopplung betrieben wird, bei der eine steigende Temperatur eine Verringerung des fließenden Stromes bewirkt. Solche Betriebsbedingungen können abhängig vom Verwendungszweck des MOS-Transistors jedoch nicht immer sichergestellt werden. Insbesondere bei Verwendung von MOS-Transistoren in Linearreglern oder beim Schalten induktiver Lasten kann ein Betrieb des Bauelements im Bereich der thermischen Gegenkopplung, also bei Ansteuerspannungen oberhalb des temperaturstabilen Punktes, nicht sichergestellt werden.
  • Das Problem verschärft sich bei MOS-Transistoren, die hinsichtlich einer hohen Steilheit optimiert sind, bei denen kleine Änderungen der Gate-Source-Spannung große Änderungen des Laststromes hervorrufen. Bei solchen Bauelementen ist der temperaturstabile Punkt zu größeren Gate-Source-Spannungen hin verschoben, wodurch der Spannungsbereich der Gate-Source-Spannung, für den eine thermische Mitkopplung vorliegt, vergrößert ist.
  • Aus der US 5 095 343 A ist es zur Verringerung dieses Problems der thermischen Mitkopplung bekannt, in einem Teil des Body-Gebiets eines zellenartigen MOSFET die Kanalweite zu verringern.
  • In der US 2002/20 873 A1 ist ein Bauelement beschrieben, bei dem zur Verringerung des Problems thermischer Instabilitäten in dem Zellenfeld vorgesehen ist, unterschiedliche Kanal-Einsatzspannungen in unterschiedlichen Abschnitten des Transistors vorzusehen. Diese Maßnahme erhöht allerdings den Einschaltwiderstand des Bauelements.
  • Zur Vermeidung einer Überhitzung des Bauelements in einzelnen Bereichen des Zellenfeldes ist es aus der DE 101 61 125 C1 außerdem bekannt, einzelne Zellen des Zellenfeldes nicht anzuschließen.
  • Die DE 16 14 784 A beschreibt einen zellenartig aufgebauten Bipolartransistor, bei dem Emitterzonen der einzelnen Zellen an eine gemeinsame Emitterelektrode angeschlossen sind. Zwischen dieser gemeinsamen Emitterelektrode und den einzelnen Emitterzonen ist dabei eine Widerstandsschicht in Form einer dünnen Oxidschicht vorhanden, die Widerstände zwischen den einzelnen Emitterzonen und der gemeinsamen Emitterelektrode bildet.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein zellenartig aufgebautes Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das auch bei Ansteuerspannungen unterhalb des temperaturstabilen Punktes stabil betrieben werden kann.
  • Dieses Ziel wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 und durch eine Bauelementanordnung gemäß Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das Bauelement umfasst ein Zellenfeld mit einer Anzahl in einem Halbleiterkörper integrierter Transistorzellen, die jeweils eine erste Anschlusszone, eine zweite Anschlusszone, eine zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone angeordnete Kanalzone und eine Ansteuerelektrode zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Kanalzone aufweisen, und eine erste Anschlusselektrode, an die die ersten Anschlusszonen der Transistorzellen gemeinsam angeschlossen sind. Diese ersten Anschlusszonen sind dabei so an die erste Anschlusselektrode angeschlossen sind, dass ein elektrischer Widerstand zwischen der ersten Anschlusszone einer Zelle und der Anschlusselektrode abhängig ist von wenigstens einem der folgenden Parameter: der Position der Zelle in dem Zellenfeld, der Temperatur im Bereich der Zelle, dem die jeweilige Zelle durchfließenden Strom.
  • Derartige Transistorbauelemente werden bekanntlich durch Anlegen einer Ansteuerspannung zwischen der Ansteuerelektrode und der ersten Anschlusselektrode, die bei MOSFET der Source-Elektrode entspricht, angesteuert. Bedingt durch einen unvermeidlich vorhandenen elektrischen Widerstand der Anschlusselektrode selbst, durch elektrische Widerstände gegebenenfalls vorhandener Verbindungen zwischen der ersten Anschlusselektrode und den ersten Anschlusszonen und durch einen Übergangswiderstand von der Anschlusselektrode oder einer Zwischenverbindung auf die jeweilige erste Anschlusszone, ist die für eine Zelle wirksame Ansteuerspannung gegenüber der von außen angelegten Ansteuerspannung reduziert. Die wirksame Ansteuerspannung einer Zelle ist dabei um so geringer, je größer die Verluste in den Zuleitungen zu der ersten Anschlusszone sind.
  • Der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Widerstände so zu gestalten, dass die effektive Ansteuerspannung von Zellen, die im Betrieb des Bauelements besonders heiß werden und die bei Betrieb des Bauelements bei thermischer Mitkopplung somit einen höheren Strom als ”kühlere” Zellen aufnehmen, reduziert wird, um diese Zellen abzuregeln. Dadurch kann eine gleichmäßigere Verteilung des Laststromes auf die einzelnen Zellen erreicht und der eingangs erläuterte Effekt einer Filamentierung des fließenden Laststromes bei einem Betrieb des Bauelements im Bereich thermischer Mitkopplung verringert werden.
  • Eine individuelle Regelung kann durch die Verwendung stromabhängiger Widerstände, deren Widerstandswerte mit zunehmendem Strom zunehmen, erreicht werden. Man macht sich hierbei die Erkenntnis zu Nutze, dass bei Betrieb des Bauelements bei thermischer Mitkopplung der Strom durch die Zellen des Bauelements am größten ist, die der höchsten Temperatur unterliegen. Durch eine Abregelung dieser Zellen mittels stromabhängiger Widerstände kann eine weitere Erwärmung dieser Zellen verhindert werden. Beispiele für solche stromabhängige Widerstände sind als Dioden verschaltete Junction-FET (JFET).
  • Neben den bislang erläuterten passiven Maßnahmen zur Beeinflussung der effektiven Ansteuerspannung einzelner Zellen besteht außerdem die Möglichkeit, die Ansteuerspannungen der einzelnen Zellen aktiv zu regeln. Das Zellenfeld wird hierzu in wenigstens zwei Teilzellenfelder untergliedert, wobei die Transistorzellen der Teilzellenfelder durch eine Ansteuerschaltung angesteuert sind, die die Transistorzellen der Teilzellenfelder abhängig von einem das jeweilige Teilzellenfeld durchfließenden Strom und/oder abhängig von einer Temperatur des Halbleiterkörpers in dem jeweiligen Zellenfeld ansteuert.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt die Übertragungskennlinie eines MOSFET, in der der Drain-Strom über der Gate-Spannung für verschiedene Temperaturen aufgetragen ist.
  • 2 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen zellenartig aufgebauten MOSFET mit einer die Source-Zonen der einzelnen Zellen kontaktierenden Anschlusselektrode.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch das in 2 dargestellte Bauelement für rechteckförmige Transistorzellen (3a) und streifenförmige Transistorzellen (3b).
  • 4 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines in den 2 und 3 dargestellten Halbleiterbauelements.
  • 5 zeigt einen MOSFET mit planarer Gate-Elektrode in Seitenansicht im Querschnitt, bei dem eine Anschlusselektrode über eine Anzahl elektrisch leitender Kanäle an eine die Transistorzellen kontaktierende Zwischenschicht angeschlossen ist.
  • 6 zeigt eine Abwandlung des in 5 dargestellten Bauelementes, das als Graben-MOSFET ausgebildet ist.
  • 7 zeigt einen Querschnitt durch eines der in den 5 und 6 dargestellten Bauelemente im Bereich der Verbindungskanäle bei einer ersten Ausführungsform.
  • 8 zeigt einen Querschnitt durch eines der in den 5 und 6 dargestellten Bauelemente im Bereich der Verbindungskanäle bei einer zweiten Ausführungsform.
  • 9 zeigt einen MOSFET in Seitenansicht im Querschnitt, bei dem Source- und Drain-Kontakte an der Vorderseite eines Halbleiterkörpers liegen.
  • 10 zeigt einen Querschnitt durch das in 9 dargestellte Halbleiterbauelement zur Erläuterung der Kontaktierung der Source-Zone bei einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 11 zeigt eine Abwandlung des in den 9 und 10 dargestellten Halbleiterbauelements.
  • 12 zeigt ein als MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelement, bei dem zwischen einer ersten Anschlusselektrode und einer elektrisch leitend mit den Transistorzellen verbundenen Zwischenschicht eine Widerstandsschicht angeordnet ist.
  • 13 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement mit streifenförmigen Transistorzellen, bei dem die einzelnen Zellen über unterschiedliche Widerstände an eine Anschlusselektrode angeschlossen sind.
  • 14 veranschaulicht die Temperatur an einzelnen Positionen in dem in 13 dargestellten Bauelement.
  • 15 zeigt eine erfindungsgemäße Bauelementanordnung mit einem zellenartig aufgebauten MOSFET, bei dem zwei Teilzellenfelder separat angesteuert sind.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • 2 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt ein als MOSFET ausgebildetes zellenartig aufgebautes Halbleiterbauelement. Das Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 der im Bereich einer Rückseite 102 eine stark dotierte Halbleiterzone 22 aufweist, die die Drain–Zone und damit eine der Anschlusszonen des MOSFET bildet. An diese Drain-Zone 22 schließt sich eine schwächer dotierte Driftzone 21 an, wobei im Bereich der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers 100 in dieser Driftzone 21 eine Zellenstruktur vorhanden ist. Die Zellenstruktur umfasst mehrere komplementär zu der Driftzone 21 dotierte Body-Zonen 30, in denen jeweils eine komplementär zu der Body-Zone 30 dotierte Source-Zone vorhanden ist, die eine weitere Anschlusszone des MOSFET bildet. Zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Body-Zone 30 zwischen der Source-Zone und der Drift-Zone 21 ist eine Ansteuerelektrode bzw. Gate-Elektrode 40 vorhanden, die mittels einer Gate-Isolation 42 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert ist und die benachbart zu der Body-Zone 30, im vorliegenden Fall oberhalb der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Die Drain-, Source- und Driftzone 22, 10, 21 sind bei einem n-leitenden MOSFET n-dotiert, die Body-Zone 30 ist p-dotiert. Bei einem p-leitenden MOSFET sind diese Halbleiterzonen in entsprechender Weise komplementär dotiert.
  • Die Source-Zonen 10 der einzelnen Transistorzellen sind gemeinsam durch eine erste Anschlusselektrode oder Source-Elektrode 50 kontaktiert. Eine weitere Anschlusselektrode ist durch eine auf die Rückseite des Halbleiterkörpers aufgebrachte Drain-Elektrode 23 gebildet. Die einzelnen Transistorzellen, die je eine Source-Zone 10 eine Body-Zone 30 und eine Gate-Elektrode 40 aufweisen besitzen eine gemeinsame Drain-Zone 22 und sind über die gemeinsame erste Anschlusselektrode 50 parallel geschaltet. Das Bezugszeichen Z in 2 bezeichnet eine solche Transistorzelle, das Bezugszeichen Ti zeigt das Schaltungssymbol dieser Transistorzelle.
  • 3 zeigt einen Querschnitt in der in 2 eingezeichneten Schnittebene B-B. 3a zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel mit rechteckförmigen Transistorzellen, bei denen die Body-Zonen 30 in Draufsicht im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Source-Zonen außer in der Detaildarstellung A nicht dargestellt. Die in einem Ausschnitt der Draufsicht in 3a dargestellte Gate-Elektrode 40 ist in diesem Fall gitterförmig ausgebildet und weist Aussparungen 41 auf, in welchen die in 2 dargestellte Anschlusselektrode 50 die Source-Zonen 10 kontaktiert.
  • 3b zeigt das Bauelement gemäß 2 in Draufsicht für den Fall streifenförmiger Transistorzellen, bei denen die Body-Zonen 30 und die Source-Zonen 10 sowie die Gate-Elektroden 40 in Draufsicht langgestreckt ausgebildet sind.
  • Das elektrische Ersatzschaltbild eines solchen zellenartig aufgebauten Transistorbauelementes ist in 4 dargestellt, wobei die einzelnen Transistorzellen T1, T2, Tn jeweils durch MOSFET dargestellt sind, die einen gemeinsamen Drain-Anschluss D, einen gemeinsamen Source-Anschluss S und einen gemeinsamen Gate-Anschluss G aufweisen.
  • Es ist vorgesehen, elektrische Widerstände zwischen den einzelnen Source-Zonen 10 und der Source-Elektrode 50, die in 4 durch den Source-Anschluss S repräsentiert ist, abhängig von wenigstens einem der folgenden Parameter einzustellen: der Position der jeweiligen Zelle in dem Zellenfeld, der Temperatur im Bereich der jeweiligen Zelle dem die jeweilige Zelle durchfließenden Laststrom. Diese Widerstände zwischen den einzelnen Source-Zonen 10 und der Source-Elektrode 50, die beliebig realisiert werden können, sind in 2 schematisch zwischen den einzelnen Source-Zonen 10 und der Source-Elektrode 50 eingezeichnet und sind in 4 durch die zwischen die Source-Zonen der einzelnen Transistorzellen T1, T2, Tn und den gemeinsamen Source-Anschluss S geschaltete Widerstände R1, R2, Rn dargestellt.
  • Diese den einzelnen Transistorzellen zugeordneten Ballastwiderstände sind beispielsweise temperaturabhängig und besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Steigt dabei die Temperatur im Zellenfeld unterschiedlich an, so nimmt der Widerstandswert der Ballastwiderstände R1–Rn, die Zellen mit höherer Temperatur nachgeschaltet sind, stärker zu als der Widerstandswert der Ballastwiderstände anderer Transistorzellen, wodurch bei den Transistorzellen mit höherer Temperatur bei fließendem Laststrom ein größerer Anteil der anliegenden Gate-Source-Spannung Vgs über dem jeweiligen Ballastwiderstand anliegt, so dass die effektive Ansteuerspannung dieser Transistorzellen sinkt und die Transistorzellen mit höherer Temperatur abgeregelt werden. Die eingangs erläuterte Filamentierung des Laststromes bei Betrieb des MOSFET im Bereich thermischer Mitkopplung kann dadurch vermieden werden.
  • Entsprechendes gilt bei Verwendung von Ballastwiderständen R1–Rn deren Widerstandswert stromabhängig zunimmt. Diese stromabhängigen Widerstände wirken einer weiteren Erhöhung des Laststromes durch die einzelnen Transistorzellen T1–Tn bei Betrieb des MOSFET im Bereich thermischer Mitkopplung entgegen, wodurch auch in diesem Fall eine Filamentierung des Laststromes vermieden wird.
  • Darüber hinaus können die einzelnen, den Transistorzellen zugeordneten Ballastwiderstände auch abhängig von der Position der jeweiligen Transistorzelle in dem Zellenfeld eingestellt werden. Davon ausgehend, dass sich Transistorzellen im Inneren des Zellenfeldes stärker erwärmen als Transistorzellen im Randbereich des Zellenfeldes werden für Transistorzellen im Innenbereich des Zellenfeldes größere Ballastwiderstände als für Transistorzellen im Außenbereich des Zellenfeldes vorgesehen. Bei Betrieb des Bauelements im Betriebsbereich der thermischen Mitkopplung, wenn der Strom durch die einzelnen Transistorzellen mit steigender Temperatur zunimmt, kann hierdurch eine gleichmäßigere Verteilung des Laststromes auf die einzelnen Transistorzellen erreicht werden, da die Transistorzellen, die einer stärkeren Erwärmung unterliegen stärker abgeregelt werden.
  • Derartige Source-Widerstände können auf unterschiedlichste Weise realisiert werden, wie nachfolgend erläutert wird.
  • 5 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen MOSFET mit einem Halbleiterkörper 100, in dem in bereits erläuterter Weise eine Zellenstruktur mit einer Anzahl Transistorzellen ausgebildet ist. Die Source-Zonen 10 der einzelnen Transistorzellen sind dabei durch eine Verbindungsschicht 151, 152 kontaktiert. Diese Verbindungsschicht 151, 152 ist zwischen den Source-Zonen 10 und einer Anschlusselektrode bzw. Source-Elektrode 150 angeordnet, wobei zwischen der Verbindungsschicht 151, 152 und der Source-Elektrode 150 eine elektrisch isolierende Schicht 160 angeordnet ist. Diese elektrisch isolierende Schicht 160 weist elektrisch leitende Verbindungskanäle 153 auf, die vorzugsweise aus dem selben Material wie die Anschlusselektrode 150 bestehen und die die Anschlusselektrode 150 mit der Verbindungsschicht 152 elektrisch leitend Verbindung.
  • Der elektrische Widerstand zwischen der Verbindungsschicht 151, 152 und der Anschlusselektrode 150, und damit der elektrische Widerstand zwischen den Source-Zonen 10 der einzelnen Zellen und der Anschlusselektrode 150 ist über die Eigenschaften dieser elektrisch leitenden Verbindungskanäle 153 einstellbar, wie nachfolgend anhand der 7 und 8 erläutert ist, die jeweils einen Querschnitt durch die Isolationsschicht 160 in der in 5 dargestellten Schnittebene C-C zeigen.
  • Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vor gesehen, die Verbindungskanäle 153 mit jeweils gleichem Querschnitt auszubilden, jedoch die Häufigkeit der Verbindungskanäle pro Flächenabschnitt abhängig von der Position des jeweiligen Flächenabschnittes oberhalb des Zellenfeldes zu variieren. In dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Häufigkeit der Verbindungskanäle 153 in Richtung eines Randes 161 des Zellenfeldes zu erhöhen, was gleichbedeutend damit ist, dass ein elektrischer Widerstand zwischen Source-Zonen (10 in 5) und der Source-Elektrode (150 in 5) im Randbereich des Zellenfeldes geringer ist, als ein entsprechender elektrischer Widerstand zwischen den Source-Zonen 10 und der Anschlusselektrode 150 im Inneren des Zellenfeldes. Die Position und die Abmessungen der einzelnen Verbindungskanäle 153 können dabei völlig unabhängig von der Position der gleichmäßig angeordneten Transistorzellen in dem darunter liegenden Zellenfeld sein.
  • Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Querschnitte der einzelnen Verbindungskanäle 152 in Richtung des Randes 161 des Zellenfeldes zunehmen, wodurch Transistorzellen, die in Richtung des Randes des Zellenfeldes angeordnet sind, niederohmiger an die Anschlusselektrode angeschlossen sind, als Transistorzellen im Inneren des Zellenfeldes.
  • Die Verbindungsschicht 151, 152 kann homogen aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Polysilizium ausgebildet sein.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Verbindungsschicht 151, 152 Anschlussabschnitte 151 auf, die die Source-Zonen 10 der einzelnen Transistorzellen kontaktieren, wobei zwischen diesen Anschlussabschnitten 151 und der Isolationsschicht 160 bzw. den Verbindungskanälen 153 eine Widerstandschicht 152 vorhanden ist, die einen höheren elektrischen Widerstand als die Anschlussabschnitte 151 aufweist und die dazu dient, einen Mindestwiderstand in Reihe zu den Source-Zonen 10 der einzelnen Transistorzellen einzustellen.
  • Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, die Verbindungskanäle 153 in der Isolationsschicht 160 oberhalb des Zellenfeldes gleichmäßig anzuordnen und auch die Querschnitte dieser Verbindungskanäle 153 jeweils gleich zu wählen, den spezifischen Widerstand der Widerstandsschicht 152 in lateraler Richtung jedoch zu variieren, so dass der spezifische Widerstand dieser Widerstandsschicht 152 oberhalb von Zellen, die im Inneren des Zellenfeldes angeordnet sind, größer ist als der spezifische Widerstand oberhalb von Zellen, die in Richtung des Randes des Zellenfeldes angeordnet sind.
  • Die Verbindungsschicht 151, 152 besteht beispielsweise aus einem dotierten Halbleitermaterial, wobei der Widerstandswert der Widerstandsschicht 152 über die Dotierung des Halbleitermaterials eingestellt werden kann.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Widerstandsschicht 152 aus einem Widerstandsmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten besteht, was dazu führt, dass der Widerstand dieses Materials oberhalb der Zellen des Zellenfeldes, die einer besonders starken Erwärmung unterliegen, größer ist, als in Bereichen des Zellenfeldes mit niedriger Erwärmung.
  • Das anhand der 5, 7 und 9 erläuterte Konzept zum Anschließen der Source-Zone 10 eines MOSFET an eine Source-Elektrode 150 ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte planare Bauelementstruktur beschränkt, bei der die Gate-Elektrode 40 plattenförmig ausgebildet und oberhalb des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist. Dieses Konzept ist selbstverständlich auch auf Grabentransistoren anwendbar, wie in 6 dargestellt ist. Bei diesen Bauelementen sind die Driftzone 21, die Body-Zone 30 und die Source-Zone 10 schichtartig in dem Halbleiterkörper 100 übereinander angeordnet, wobei sich die Gate-Elektrode 40 in einem Graben in vertikaler Richtung ausgehend von der Vorderseite 102 in den Halbleiterkörper 100 bis in die Driftzone 21 hineinerstreckt, wobei die Gate-Elektrode 40 durch eine Isolationsschicht 42 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isoliert ist. Die Source-Zonen 10 sind dabei entsprechend durch die Verbindungsschicht 151, 152 kontaktiert. Wie bei dem in 5 dargestellten Bauelement sind selbstverständlich auch bei dem Bauelement gemäß 6 Kurzschlüsse zwischen den Source-Zonen 10 und der Body-Zone 30 möglich, die in 6 jedoch nicht dargestellt sind.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung eines Widerstandes zwischen einer Source-Zone 10, einer Zelle und einer Source-Elektrode wird nachfolgend anhand der 9 und 10 erläutert.
  • 9 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen MOSFET, der sich von dem bisher erläuterten MOSFET im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Drain-Zone 22 nicht im Bereich der Rückseite des Halbleiterkörpers 100 angeordnet ist, sondern dass diese Drain-Zone 22 durch eine vergrabene Schicht gebildet ist, die über hochdotierte Halbleiterabschnitte 24 an eine Drain-Elektrode 80 bzw. einen Drain-Elektrodenabschnitt an der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers angeschlossen ist. Der unterhalb der vergrabenen Zone 22 angeordnete Abschnitt 70 des Halbleiterkörpers ist komplementär zu der Drain-Zone 22 dotiert und liegt bei einem n-leitenden MOSFET, bei dem die Drain-Zone 22 n-dotiert ist, auf dem niedrigsten in der Bauelementanordnung vorkommenden Potential, um den pn-Übergang zwischen der Drain-Zone 22 und dem Halbleitersubstrat 70 in Sperrrichtung zu polen.
  • Der Aufbau des Zellenfeldes mit den Body-Zonen 30, den Source-Zonen 10 und den Gate-Elektroden 40 entspricht dem zuvor erläuterten Aufbau, so dass auf Wiederholungen hier verzichtet wird.
  • Die Source-Zonen 10 der einzelnen Transistorzellen sind jeweils durch eine elektrisch leitende Verbindungsschicht 250 kontaktiert, die die Source-Elektrode bildet oder die an eine nicht näher dargestellte Source-Elektrode angeschlossen ist, die mehrere solcher Verbindungsschichten 250 kontaktiert. Diese Verbindungsschicht 250 weist Kontaktabschnitte 251 auf, die nur die Source-Zone 10 einer Transistorzelle kontaktieren, und Kontaktabschnitte 252, die nur die die Body-Zone 30 einer Transistorzelle kontaktieren, wobei einer solcher die Source-Zone 10 kontaktierender Kontakt 251 in 9a für eine erste Transistorzelle und ein solcher, nur die Body-Zone 30 kontaktierender Kontakt, für eine zweite neben der ersten Transistorzelle angeordnete Transistorzelle dargestellt ist. Die Transistorzellen sind dabei vorzugsweise streifenförmig mit einer senkrecht zur Zeichenebene langgestreckt verlaufenden Body-Zone 30 ausgebildet. Die Source-Zone 10 ist in dieser Richtung senkrecht zur Zeichenebene nicht durchgehend ausgebildet und weist Unterbrechungen auf, in denen die Kontakte 252 die Body-Zone 30 kontaktieren. Vorzugsweise ist unterhalb dieser Body-Kontakte eine stärker als die Body-Zone 30 dotierte Kontaktzone 35 in der Body-Zone 30 angeordnet, die sich vorzugsweise bis an die Driftzone 21 erstreckt. Vorzugsweise ist unterhalb des Source-Kontaktabschnitts 251 in der Source-Zone 10 eine höher dotierte Kontaktzone 15 desselben Leitungstyps wie die Source-Zone 10 vorhanden, um ein niederohmiges Kontaktieren der Source-Zone zu gewährleisten.
  • 10 zeigt einen Querschnitt durch das Bauelement in 9 in der Schnittebene D-D, wobei in 10a eine der unter der Isolationsschicht 42 liegenden Source-Zonen 10 gestrichelt eingezeichnet ist. Bezugnehmend auf diese 10 ist bei dem Bauelement vorgesehen, den elektrischen Widerstand zwischen der Source-Zone 10 und dieser Verbindungsschicht 250 über die Häufigkeit der nur die Source-Zone kontaktierenden Anschlüsse 251 und der nur die Body-Zone 30 kontaktierenden Anschlüsse 252 zu variieren.
  • 10a zeigt für eine streifenförmige Transistorzelle, die eine streifenförmige Body-Zone 30 aufweist, den Fall, bei dem Anschlusskontakte 251, 252 abwechselnd angeordnet sind.
  • Bei dem in 10b dargestellten Ausführungsbeispiel ist hingegen eine kleinere Anzahl der Source-Zone 10 kontaktierenden Anschlusskontakte 251 vorhanden, indem nur jeder dritte Kontakt als Source-Kontakt 251 ausgebildet ist. Die Zelle in 10b ist dadurch höherohmig als die Zelle in 10a an die Source-Elektrode (250 in 9) angeschlossen. Durch eine Variation der Häufigkeit der die Source-Zone 10 kontaktierenden Source-Kontakte kann somit ein elektrischer Widerstand eingestellt werden, über den eine jeweilige Zelle an die Source-Elektrode 250 angeschlossen ist.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass sich die in 9 dargestellte Struktur nach beiden Seiten hin wiederholen kann, wobei die dann entstehenden einzelnen Verbindungsschichten 250 in nicht näher dargestellten Weise an eine gemeinsame Anschlusselektrode bzw. Source-Elektrode angeschlossen sind, und die mehreren in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordneten Drain-Elektrodenabschnitte an eine gemeinsame Drain-Elektrode angeschlossen sind.
  • In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, den Querschnitt der Anschlusskontakte 251, 252 zu variieren, um dadurch den Übergangswiderstand zwischen der Source-Zone 10 und der Verbindungsschicht 250 einzustellen und dadurch für unterschiedliche Transistorzellen unterschiedliche Source-Widerstände zu erhalten.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung dieses Source-Widerstandes besteht bezugnehmend auf 11 darin, die Abmessungen der Source-Zone 10 zwischen der Anschlusselektrode 251 und dem Abschnitt der Body-Zone 30, in dem sich ein leitender Kanal ausbilden kann, zu variieren. Figur 11a zeigt im Querschnitt eine Transistorzelle, bei der die Source-Zone 10 so ausgebildet ist, dass der Abstand zwischen der Anschlusselektrode 251 und dem benachbart zur Gate-Elektrode 40 angeordneten Abschnitt der Body-Zone 30 im Vergleich zu den in 9 dargestellten Transistorzellen vergrößert ist. In diesem Fall wirkt ein Teil der Source-Zone als Source-Widerstand der Transistorzelle. Die in 11 dargestellte Transistorzelle besitzt somit gegenüber der in 10a dargestellten Zelle einen höheren Source-Anschlusswiderstand – obwohl in beiden Fällen Source-Anschlusskontakte 251 und Body-Anschlusskontakte abwechselnd angeordnet sind – da ein Teil der Source-Zone 10 bei der Zelle in 11 als widerstandsbehaftete Driftstrecke dient. Mit der Länge dieser Source-Driftzone variiert auch die Größe der Zellen, und damit auch die Leistungsdichte in dem Bauelement. Dabei gilt, je größer diese Source-Driftzone zwischen der Body-Zone 30 und dem Kontakt 251 ist, um so größer ist die Zelle. Bei gleichem Zellenabstand sinkt dadurch die Leistungsdichte, was eine zusätzliche positive Auswirkung bezüglich einer Erwärmung des Bauelements mit sich bringt.
  • 12a zeigt eine Abwandlung des in 9 dargestellten Bauelements. Bei diesem Bauelement sind die einzelnen Source-Zonen 10 durch ein Verbindungsschicht 351 kontaktiert, die Kontaktabschnitte aufweist, die in dem dargestellten Beispiel jeweils die Source-Zone 10 und die Body-Zone 30 einer Zelle kurzschließt. Die Drain-Zone 22 ist in bereits erläuterter Weise über eine hochdotierte Halbleiterzone 24 an eine Drain-Verbindungsschicht 381 angeschlossen. Oberhalb dieser Verbindungsschichten 351, 381 ist eine Isolationsschicht 360 angeordnet oberhalb der elektrisch leitende Zwischenschichten 352, 382 angeordnet sind, wobei die die Source-Zonen 10 kontaktierende Verbindungsschicht 351 über elektrisch leitende Kanäle 352 in der Isolationsschicht 360 an eine Source-Zwischenschicht 352, und die Drain-Verbindungsschicht 381 über elektrisch leitende Kanäle 382 an eine Drain-Zwischenschicht 382 angeschlossen ist.
  • 12b zeigt diese Anordnung in Draufsicht im Querschnitt durch die Zwischenschichten 352, 382 für ringförmig ausgebildete Zellenfelder.
  • Bezugnehmend auf die 12a und 12b sind mehrere der Source-Zwischenschichten 352 an eine Source-Elektrode 350 angeschlossen, wobei zwischen der Source-Elektrode 350 und den in diesem Bereich ebenfalls angeordneten Drain-Zwischenschichten 382 eine Isolationsschicht 361 angeordnet ist.
  • Zur Einstellung eines elektrischen Widerstandes zwischen den Source-Zonen 10 und der Source-Elektrode 350 ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, elektrische Widerstände zwischen den Source-Zwischenschichten 352 und der Source-Elektrode 350 vorzusehen.
  • In 12a sind diese Widerstände als einfache widerstandsbehaftete Schichten 370 zwischen der Source-Zwischenschicht 352 und der Source-Elektrode dargestellt. Die Source-Widerstände für die an eine gemeinsame Verbindungsschicht 351 angeschlossenen Transistorzellen können dabei über die Abmessungen und/oder den elektrischen Widerstand dieser Widerstandszonen 370 eingestellt werden. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die einzelnen Drain-Zwischenschichten in entsprechender Weise wie die Source-Zwischenschichten 352 durch eine gemeinsame Drain-Elektrode 360 kontaktiert sind, die in 12b gestrichelt dargestellt ist, und die gegenüber der Source-Elektrode 350 elektrisch isoliert ist.
  • Die Widerstände zwischen der Source-Zwischenschicht 352 und der Source-Elektrode 350 können auf beliebige weitere Weise realisiert werden, was durch das Widerstandselement RS in 12 symbolisiert ist. So kann zwischen der Source-Zwischenschicht 352 und der Source-Elektrode 350 in nicht näher dargestellter Weise beispielsweise eine weitere Isolationsschicht vorgesehen sein, in der diskrete Widerstände, beispielsweise aus Polysilizium vorgesehen werden, über welche die Source-Zwischenschicht 352 an die Source-Elektrode 350 angeschlossen ist.
  • 13 zeigt eine Draufsicht auf eine Verdrahtungsebene eines Transistorzellenfeldes, wobei die mit den Bezugszeichen 451 bezeichneten Bereiche Source-Verbindungsschichten bezeichnen, die den Verbindungsschichten 351 oder in 12a bzw. 12b entsprechen und wobei die mit den Bezugszeichen 481 bezeichneten Bereiche Drain-Verbindungsschichten entsprechend den Drain-Verbindungsschichten mit den Bezugszeichen 381 oder 382 in 12a bzw. 12b entsprechen.
  • Entsprechend der Darstellung in 12b ist bei der Darstellung in 13 aus Gründen der Übersichtlichkeit auf Isolationsschichten zwischen den Kontaktbereichen 451, 481 verzichtet.
  • Das Bezugszeichen 450 in 13 bezeichnet eine Source-Elektrode 450, an die die Source-Verbindungsbereiche 451, die jeweils wenigstens eine darunter liegende Transistorzelle kontaktiert, gemeinsam angeschlossen sind. Zwischen den einzelnen Source-Verbindungsbereichen 451 und der Source-Elektrode 450 sind dabei Widerstandszonen 470 vorgesehen, wobei die Flächen dieser Widerstandszonen 470 gemäß 13 variieren, und in dem dargestellten Beispiel in Richtung eines Randes des Zellenfeldes abnehmen, um dadurch für Zellen die durch Kontaktschichten 451 kontaktiert sind, die in Richtung des Randes des Zellenfeldes angeordnet sind, einen niedrigere Source-Widerstand zu erreichen.
  • 14 zeigt den Temperaturverlauf eines zellenartig aufgebauten MOSFET in Kurve 1 für einen herkömmlichen MOSFET und in Kurve 2 für einen MOSFET, bei dem die Source-Widerstände der einzelnen Transistorzellen in Richtung der Mitte des Zellenfeldes zunehmen, bzw. in Richtung des Randes des Zellenfeldes abnehmen.
  • Neben den bislang erläuterten passiven Maßnahmen zur Einstellung unterschiedlicher Source-Widerstände besteht erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, die einzelnen Transistorzellen aktiv zu regeln, um bei Betrieb des MOSFET im Bereich thermischer Mitkopplung eine Filamentierung des Laststromes zu verhindern. Bezugnehmend auf 15 ist dabei vorgesehen, das Zellenfeld des Transistors in wenigstens zwei Teilzellenfelder ZFi, ZFa zu unterteilen, wobei in dem Ausführungsbeispiel ZFa das Zellenfeld bezeichnet, das die Transistorzellen im Außenbereich des Zellenfeldes umfasst, und wobei ZFi das Zellenfeld bezeichnet, das die Transistorzellen im Inneren des Zellenfeldes umfasst.
  • Die einzelnen Transistorzellen des Zellenfeldes sind durch die MOSFET Ti1–Tin für das Teilzellenfeld ZFi und durch die MOSFET Ta1–Tan für das Zellenfeld ZFa veranschaulicht. Zur Ansteuerung des Bauelements ist eine Ansteuerschaltung DRV vorhanden, die einen ersten Ansteuerausgang aufweist, an dem ein Ansteuersignal DSi für die Transistorzellen des ersten Teilzellenfeldes ZFi zur Verfügung steht, und die einen zweiten Ansteuerausgang aufweist, an dem ein Ansteuersignal DSa für die Transistorzellen des zweiten Teilzellenfeldes ZFa zur Verfügung steht.
  • Der Ansteuerschaltung DRV ist weiterhin ein erstes Messsignal Ui zugeführt, das abhängig ist von einem das erste Teilzellenfeld ZFi durchfließenden Laststrom Ii wobei dieses Messsignal der Spannung über einem in Reihe zu dem Teilzellenfeld ZFi geschalteten Strommesswiderstand RSi entspricht. Entsprechend ist der Treiberschaltung DRV ein zweites Messsignal Ua zugeführt, das abhängig ist von einem das zweite Teilzellenfeld ZFa durchfließenden Strom Ia. Dieses zweite Messsignal Ua wird unter Verwendung eines zweiten Strommesswiderstandes RSa, der in Reihe zu dem zweiten Teilzellenfeld ZFa geschaltet ist, ermittelt.
  • Die Ansteuerschaltung DRV ist dazu ausgebildet, die beiden Teilzellenfelder ZFi, ZFa abhängig von den ermittelten Strommesswerten Ui, Ua so anzusteuern, dass wenigstens annähernd eine gleichmäßige Verteilung des Laststromes über die beiden Teilzellenfelder ZFi, ZFa erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Temperatur im Bereich der Teilzellenfelder ZFi, ZFa mittels Temperatursensoren TSi, TSa zu ermitteln, und der Treiberschaltung DRV temperaturabhängige Signale Si, Sa zuzuführen, wobei die Treiberschaltung DRV die Transistoren der Teilzellenfelder ZFi, ZFa abhängig von der ermittelten Temperatur ansteuert.
  • Wenngleich bei der Darstellung gemäß 15 zur Erfassung des die Teilzellenfelder jeweils durchfließenden Stromes Ii, Ia der Spannungsabfall über einem in Reihe zu allen Zellen des jeweiligen Zellenfeldes geschalteten Messwiderstand Rsi, Rsa herangezogen wird, sei darauf hingewiesen, dass der jeweilige Laststrom Ii, Ia auf beliebige Weise ermittelt werden kann. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, entsprechend dem sogenannten Stromsense-Prinzip nur einige der Zellen – im Extremfall nur eine Zelle – des jeweiligen Zellenfeldes Zi, Za zur Ermittlung des Laststromes heranzuziehen, indem die Messwiderstände RSi, RSa nur in Reihe zu diesen ”Mess-Zellen” geschaltet werden. Über das Verhältnis der Anzahl der Mess-Zellen zu der Anzahl aller Zellen eines jeweiligen Teilzellenfeldes Zi, Za kann dann auf den das Teilzellenfeld Zi, Za durchfließenden Strom geschlossen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • D
    Drain-Anschluss
    DRV
    Ansteuerschaltung
    DSi, DSa
    Ansteuersignale
    G
    Gate-Anschluss
    Ii, Ia
    Lastströme
    R1, R2, Rn
    Source-Widerstände
    Rsi, Rsa
    Messwiderstände
    S
    Source-Anschluss
    Si, Sa
    Temperatursignal
    Sin
    Eingangssignal
    T1, T2, Tn
    Transistorzellen
    Ta1, Ta2, Tan
    Transistorzellen
    Ti1, Ti2, Tin
    Transistorzellen
    TSi, TSa
    Temperatursensoren
    Ui, Ua
    Strommesssignale
    Vgs
    Gate-Source-Spannung
    ZFi, ZFa
    Teilzellenfelder
    10
    Source-Zone
    15
    Kontaktzone
    21
    Driftzone
    22
    Drain-Zone
    23
    Drain-Elektrode
    30
    Body-Zone
    35
    Kontaktzone
    40
    Gate-Elektrode
    43
    Feldplattenabschnitt einer Gate-Elekrode
    70
    Halbleitersubstrat
    80
    Verbindungsschicht, Drain-Elektrode
    100
    Halbleiterkörper
    101
    Rückseite des Halbleiterkörpers
    102
    Vorderseite des Halbleiterkörpers
    150
    Source-Elektrode
    151
    Kontaktabschnitt
    152
    Verbindungsschicht
    153
    Verbindungskanäle
    160
    Isolationsschicht
    250
    Verbindungsschicht, Source-Elektrode
    251, 252
    Kontaktabschnitte
    350
    Source-Elektrode
    351
    Verbindungsschicht
    352
    Zwischenschicht
    352
    Verbindungskanäle
    360
    Isolationsschicht
    361
    Isolationsschicht
    370
    Widerstandszone
    381
    Drain-Verbindungsschicht
    382
    Drain-Verbindungsschicht
    450
    Source-Elektrode
    451
    Source-Zwischenschicht
    470
    Widerstandszone
    481
    Drain-Zwischenschicht

Claims (3)

  1. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – ein Zellenfeld mit einer Anzahl in einem Halbleiterkörper integrierter Transistorzellen, die jeweils eine erste Anschlusszone (10), eine zweite Anschlusszone (22), eine zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone angeordnete Kanalzone (30) und eine Ansteuerelektrode (40) zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Kanalzone (30) aufweisen, – eine erste Anschlusselektrode (50; 150; 250; 350; 450), an die die ersten Anschlusszonen (10) der Transistorzellen gemeinsam angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Anschlusszonen (10) über als Dioden verschaltete Junction-FET an die Anschlusselektrode angeschlossen sind.
  2. Halbleiterbauelementanordnung, die folgende Merkmale aufweist: – ein Halbleiterbauelement mit einem Zellenfeld, in dem eine Anzahl in einem Halbleiterkörper integrierter Transistorzellen (Ti1–Tin, Ta1–Tan) angeordnet sind, wobei das Zellenfeld in wenigstens zwei Teilzellenfelder (ZFi, ZFa) mit je wenigstens einer Transistorzelle unterteilt ist, – eine an die Ansteuerelektroden der Transistorzellen angeschlossene Ansteuerschaltung (DRV), die die Transistorzellen der Teilzellenfelder abhängig von einem das jeweilige Teilzellenfeld (ZFi, ZFa) durchfließenden Strom (Ii, IA) und/oder abhängig von einer Temperatur des Halbleiterkörpers in dem jeweiligen Zellenfeld (ZFi, ZFa) ansteuert.
  3. Halbleiterbauelementanordnung nach Anspruch 2, bei der ein erstes Teilzellenfeld (ZFi) durch Zellen im Inneren eines Zellenfeldes und ein zweites Teilzellenfeld (ZFa) durch Zellen im Randbereich eines Zellenfeldes gebildet ist.
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