DE10349582A1

DE10349582A1 - Halbleiterdiode sowie dafür geeignetes Herstellungsverfahren

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Publication number: DE10349582A1
Application number: DE10349582A
Authority: DE
Inventors: Anton. Dr.-Ing. Mauder; Frank Hille; Rajeev Krishna Vytla; Elmar Dr.-Ing. Falck; Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Helmut Dr. Strack
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-10-25
Also published as: US7511353B2; DE10349582B4; US20050116249A1

Abstract

Eine Halbleiterdiode (30) weist eine Anode (32), eine Kathode (33) und ein Halbleitervolumen (31) auf, das zwischen der Anode (32) und der Kathode (33) vorgesehen ist. Eine Elektronenbeweglichkeit und/oder Löcherbeweglichkeit innerhalb einer vor der Kathode (33) befindlichen Zone (34) des Halbleitervolumens (31) ist relativ zum Rest des Halbleitervolumens (31) reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode sowie ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren.
Es ist bekannt, dass es bei hartem Abkommutieren von Dioden zu einem Stromabriss in der Diode kommen kann. Ein derartiger Stromabriss hat zur Folge, dass starke Spannungs- bzw. Stromschwingungen auftreten. Überschreiten derartige Schwingungen für die Diode zulässige Maximalwerte, so kann es zur Zerstörung der Diode kommen. Eine Zerstörung der Diode kann auch durch übermäßig starke Einstreueffekte auf Ansteuerprozesse, die durch die Strom- bzw. Spannungsschwankungen bewirkt werden, und daraus resultierendes Fehlverhalten der Ansteuerprozesse begründet sein. Die oben beschriebene Problematik tritt insbesondere bei Schaltungen mit hoher Streuinduktivität, hohen Strömen (beispielsweise bei massiver Parallelschaltung von Leistungshalbleitern) und bei hohen Spannungen, gegen die die Diode kommutiert wird, auf.
Eine erste Möglichkeit, einen Stromabriss zu verhindern, besteht darin, Stromsteilheit beim Abkommutieren der Diode zu reduzieren. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung von Einschaltverlusten des zugehörigen Schalters und ist daher unerwünscht.
Eine zweite Möglichkeit, einen Stromabriss zu verhindern, ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Zum Aufbau einer Sperrspannung an den Anschlüssen einer Diode, beispielsweise einer pn^–n-Diode ist es notwendig, eine Überschwemmungsladung (beginnend am pn-Übergang) auszuräumen. Da eine Erhöhung der Sperrspannung um ΔU zwingend mit dem Ausräumen eines Ladungspakets ΔQ der Überschwemmungsladung verbunden ist, kann, solange ausreichend Überschwemmungsladung vorhanden ist, ein Dioden-Rückstrom nicht abreißen und die Sperrspannung nicht sprunghaft ansteigen. Somit kann, wenn hinter dem Ende der Raumladungszone am Ende eines Schaltvorgangs in der Diode ausreichend Überschwemmungsladung vorhanden ist, ein Stromabriss verhindert werden (die Überschwemmungsladung diffundiert auseinander und erhält dadurch noch einen gewissen Stromfluss aufrecht). Das Vorhandensein von Überschwemmungsladung bewirkt weiterhin, dass bei Anliegen einer maximalen Sperrspannung der Dioden-Rückstrom nicht sofort abreißt, womit hohe Stromänderungen aufgrund der stets vorhandenen parasitären Induktivitäten und daraus resultierende Spannungsspitzen an der Diode vermieden werden können. Durch eine Erhöhung der Diodendicke steht gleichermaßen auch mehr Überschwemmungsladung zur Vermeidung eines Stromabrisses zur Verfügung. Nachteilig bei der Erhöhung der Diodendicke ist jedoch, dass sowohl die Durchlass- als auch die Schaltverluste der Diode erhöht werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Halbleiterdiode sowie ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Halbleiterdiode gemäß Patentanspruch 1 bereit. Des Weiteren stellt die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Halbleiterdiode gemäß Patentanspruch 8 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in jeweiligen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Halbleiterdiode weist eine Anode, eine Kathode und ein Halbleitervolumen auf. Das Halbleitervolumen ist hierbei zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen. Wesentlich ist, dass eine Elektronenbeweglichkeit und/oder Löcherbeweglichkeit innerhalb einer vor der Kathode befindlichen Zone des Halbleitervolumens relativ zum Rest der Halbleiterstruktur reduziert ist. Das Vorsehen einer derartigen Zone mit reduzierter Elektronen-/Löcherbeweglichkeit bewirkt zum einen eine erhöhte Überschwemmungsladung vor der Kathode, zum anderen auch eine verlangsamte Extraktion der Überschwemmungsladung während des Abkommutierens der Diode.

Die Zone reduzierter Beweglichkeit grenzt vorzugsweise direkt an die Kathode an. Alternativ ist die Zone reduzierter Beweglichkeit lediglich in der Nähe der Kathode angeordnet, d. h., zwischen der Zone reduzierter Beweglichkeit und der Kathode befindet sich ein Halbleitergebiet, das keine reduzierte Elektronenbeweglichkeit/Löcherbeweglichkeit aufweist.

„Anode" und „Kathode" sind hierbei an das Halbleitervolumen angrenzende Halbleitergebiete und stellen den ohmschen Kontakt zur Metallisierung auf der vorder- bzw. rückseitigen Oberfläche der Diode her. Sie dienen als Emitter und sind für die Überschwemmung des Halbleitervolumens mit den Ladungsträgern (Elektronen, Löcher) verantwortlich.

Die Zone reduzierter Beweglichkeit weist vorzugsweise eine quaderförmige Form auf und durchsetzt vorzugsweise auch den gesamten Querschnitt des Halbleitervolumens. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, d. h. es braucht nicht der gesamte Querschnitt der Halbleiterstruktur durch die Zone reduzierter Beweglichkeit erfasst werden. Beispielsweise ist es möglich, dass Gebiete am Rand des Halbleitervolumens von der Zone reduzierter Beweglichkeit nicht erfasst werden. Generell braucht die Zone reduzierter Beweglichkeit kein zusammenhängendes Gebiet zu sein.

Die Dicke der Zone reduzierter Beweglichkeit sollte nicht größer als 60 % der Dicke des Halbleitervolumens selbst sein. Es hat sich herausgestellt, dass Dicken in einem Bereich von etwa einem Drittel bis einem Viertel der Dicke des Halbleitervolumens besonders gute Ergebnisse liefern. Beispielsweise liefert bei einer 1200 V-Diode eine Dicke der Zone reduzierter Beweglichkeit von etwa 20 bis 40 μm gute Ergebnisse. Insbesondere hängt die gesamte Dicke des Halbleitervolumens stark von der geforderten Sperrfähigkeit der Diode ab, wobei pro 100 Volt Sperrspannung etwa 10 μm Dicke benötigt werden. Eine sinnvolle Dicke der Zone reduzierter Beweglichkeit liegt somit bei etwa 2 bis 4 μm pro 100 Volt Sperrfähigkeit der Diode. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Dicke-Bereiche beschränkt.

Die erfindungsgemäße Halbleiterdiode kann beispielsweise eine pn^–n-Diode sein, wobei die Elektronenbeweglichkeit und/oder Löcherbeweglichkeit in der Nähe eines n-Emitters der pn^–n-Diode reduziert ist. Natürlich ist es auch möglich, p- und n-Gebiete miteinander zu vertauschen, d.h. eine np^–p-Diode zu verwenden.

Die Erfindung stellt weiterhin ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Halbleiterdiode bereit, das die folgenden Schritte aufweist: Bestrahlen wenigstens eines Teils der Oberfläche des Halbleitervolumens der Halbleiterdiode mit hochenergetischen Teilchen, und Ausheilen der Halbleiterstruktur. Durch derartiges Bestrahlen kann in dem Halbleitervolumen die Zone reduzierter Beweglichkeit ausgebildet werden.

Die Bestrahlung der Oberfläche der Halbleiterstruktur (bzw. eines Teils davon) erfolgt vorzugsweise mit Wasserstoff-Ionen und/oder Helium-Ionen. Hierbei wird durch Variieren der Energie der hochenergetischen Teilchen die Eindringtiefe dieser in das Halbleitervolumen geregelt. Wenn die Bestrahlung des Halbleitervolumens so erfolgt, dass Teilchenstrahlen einen Kathodenbereich der Halbleiterdiode in Richtung eines Anodenbereichs der Halbleiterdiode durchsetzen, so wird die Energie der hochenergetischen Teilchen so gewählt, dass eine Eindringtiefe der Teilchenstrahlen in etwa ein Drittel bis ein Viertel der Dicke des Halbleitervolumens beträgt. Damit kann eine Zone reduzierter Beweglichkeit, die unmittelbar an die Kathode der Halbleiterdiode angrenzt, erzeugt werden.

Das Ausheilen des bestrahlten Halbleitervolumens erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 360 °C und 700 °C. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Temperaturbereich beschränkt. Falls durch die Bestrahlung gleichzeitig eine Feldstoppschicht erzeugt werden soll, ist es vorteilhaft, mit Protonen zu bestrahlen und die Ausheiltemperatur unterhalb von 550 °C zu halten. Soll hingegen durch die Protonenbestrahlung lediglich die Zone reduzierter Beweglichkeit ausgebildet werden, so sind Ausheiltemperaturen oberhalb von 600 °C vorteilhaft. Die Dauer des Ausheilprozesses liegt hierbei typischerweise zwischen 0,5 bis 10 Stunden, kann jedoch auch länger bzw. kürzer sein.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1 das Abkommutierverhalten einer konventionellen 1200 V-Diode mit 450 A Nennstrom und einer Zwischenkreisspannung von 600 V.
2 elektrische Feldverteilungen sowie zugehörige Überschwemmungsladungs-Verteilungen für die in 1 gezeigte Diode.
3 Konzentrationsverteilungen von Überschwemmungsladungen für eine erfindungsgemäße und eine herkömmliche Diode.
4 Stromverläufe der in 3 charakterisierten Dioden.
5 Spannungsverläufe der in 3 charakterisierten Dioden.
6 Verläufe von elektrischer Feldstärke und Ladungsträgerkonzentration der in 3 charakterisierten herkömmlichen Diode zum Zeitpunkt der in 4 und 5 gezeigten Rückstromspitze.
7 Verläufe von elektrischer Feldstärke und Ladungsträgerkonzentration der in 3 charakterisierten erfindungsgemäßen Diode zum Zeitpunkt der in 4 und 5 gezeigten Rückstromspitze.
8 Verläufe von elektrischer Feldstärke und Ladungsträgerkonzentration der in 3 charakterisierten herkömmlichen Diode unmittelbar vor dem in 4 und 5 gezeigten Stromabriss.
9 Verläufe von elektrischer Feldstärke und Ladungsträgerkonzentration der in 3 charakterisierten erfindungsgemäßen Diode unmittelbar vor dem in 4 und 5 gezeigten Stromabriss.
10 Verläufe von elektrischer Feldstärke und Ladungsträgerkonzentration der in 3 charakterisierten erfindungsgemäßen Diode zum Zeitpunkt des in 4 und 5 gezeigten Stromabrisses.
11 Verläufe von elektrischer Feldstärke und Ladungsträgerkonzentration der in 3 charakterisierten erfindungsgemäßen Diode zum Zeitpunkt des in 4 und 5 gezeigten Stromabrisses.
12 Verläufe von Dotierungskonzentrationen in einer erfindungsgemäßen Diode.
13 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
14 einen bevorzugten Verlauf der Elektronenbeweglichkeit/Löcherbeweglichkeit in einer erfindungsgemäßen Diode.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 und 2 der technische Hintergrund der Erfindung näher erläutert.
Wie bereits erwähnt wurde, soll in der erfindungsgemäßen Diode eine Überschwemmungsladung vor der Kathode der Di ode gezielt erhöht und zugleich das Ausräumen der Überschwemmungsladung beim Abkommutiervorgang verlangsamt werden.
In 1 sind ein gemessener Spannungsverlauf 1, ein gemessener Stromverlauf 2 sowie ein simulierter Stromverlauf 3 während eines Abkommutiervorgangs über die Zeit aufgetragen. Des Weiteren ist in 1 ein Stromabrissverlauf 4 gezeigt, der bei einer Diode, die nicht gemäß der Erfindung dimensioniert ist, auftritt. Die erfindungsgemäße Halbleiterdiode soll einen derartigen Stromabrissverlauf 4 selbst bei ungünstigeren Schaltbedingungen als den in 1 dargestellten vermeiden und stattdessen einen Stromverlauf aufweisen, der dem mit Bezugszeichen 2 bzw. 3 gekennzeichneten Stromverlauf entspricht. Hinsichtlich Stromabriss ungünstigere (sogenannte „harte") Schaltbedingungen sind, wenn die Diode entweder bei höherer Zwischenkreisspannung, höherer Streuinduktivität, höherer Stromsteilheit beim Abkommutieren oder einer Kombination dieser Einflussfaktoren betrieben wird.
In 1 sind weiterhin sechs Zeitpunkte A bis F gezeigt. Zu diesen Zeitpunkten liegen innerhalb der Halbleiterdiode entsprechende Verläufe von elektrischer Feldstärke und Überschwemmungsladung vor, die teilweise in 2 gezeigt sind: Die den Zeitpunkten A bis E entsprechenden Verteilungen der Überschwemmungsladungen sind mit den Bezugszeichen LaA bis LaE gekennzeichnet, wobei die den Zeitpunkten C bis F entsprechenden Verläufe der elektrischen Feldstärke mit den Bezugskennzeichen elC bis elF gekennzeichnet sind.
In 3 ist ein erster Überschwemmungsladungs-Konzen trationsverlauf 5 gezeigt, der in einer erfindungsgemäßen Halbleiterdiode auftritt, sowie ein zweiter Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 6 dargestellt, der für eine herkömmliche Halbleiterdiode charakteristisch ist. Hierbei ist deutlich zu sehen, dass die Überschwemmungsladungskonzentration der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode im kathodennahen Bereich gegenüber der Überschwemmungsladungskonzentration herkömmlicher Dioden erhöht ist. Die Unterschiede in den Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverläufen 5 und 6 lassen sich darauf zurückführen, dass in der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode eine Elektronenbeweglichkeit und/oder Löcherbeweglichkeit innerhalb einer vor der Kathode befindlichen Zone des Halbleitervolumens, die zwischen der Anode und der Kathode liegt, relativ zum Rest des Halbleitervolumens reduziert ist.
4 zeigt einen ersten Stromverlauf 7 sowie einen zweiten Stromverlauf 8, wobei der erste Stromverlauf 7 dem Stromverlauf der erfindungsgemäßen, in 3 charakterisierten Halbleiterdiode (mit reduzierter Trägerbeweglichkeit) entspricht, wohingegen der zweite Stromverlauf 8 dem Stromverlauf der herkömmlichen, in 3 charakterisierten Halbleiterdiode entspricht. Analog hierzu ist in 5 ein erster Spannungsverlauf 9 und ein zweiter Spannungsverlauf 10 gezeigt, wobei der erste Spannungsverlauf 9 dem Spannungsverlauf der erfindungsgemäßen, in 3 charakterisierten Halbleiterdiode entspricht, und der zweite Spannungsverlauf 10 dem Spannungsverlauf der herkömmlichen Diode aus 3 entspricht. Die in 4 und 5 gezeigten Strom-/Spannungsverläufe treten bei „harten" Schaltbedingungen auf und zeigen, dass bei einer herkömmlichen Diode mit hoher Wahrscheinlichkeit so extreme Spannungswerte auftreten würden, dass die Diode zerstört werden würde.
In 6 ist ein Verlauf einer elektrischen Feldstärke 11 sowie ein dazu korrespondierender Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 12 der herkömmlichen Halbleiterdiode aus 3 gezeigt. Im Vergleich hierzu ist in 7 ein Feldstärkeverlauf 13 sowie ein dazu korrespondierender Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 14 gezeigt. Weiterhin ist in 7 der Betrag einer Elektronen-Trägerbeweglichkeit 15 sowie der Betrag einer Löcher-Trägerbeweglichkeit 16 gezeigt. Die in 7 gezeigten Verläufe 13 bis 16 sind die der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode aus 3. Die in 6 und 7 gezeigten Verläufe treten zum Zeitpunkt der in 4 und 5 gezeigten Strom-/Spannungsspitzen (Rückstromspitze) auf. Vergleicht man die Verläufe aus den 6 und 7 miteinander, so ist ersichtlich, dass bei der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode im kathodennahen Bereich eine deutlich höhere Konzentration an Überschwemmungsladung auftritt.
In 8 ist ein Feldstärkeverlauf 17 sowie ein Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 18 der herkömmlichen, in 3 charakterisierten Halbleiterdiode gezeigt. Analog hierzu sind in 9 ein Feldstärkeverlauf 19, ein Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 20 sowie ein Betrag der Trägerbeweglichkeit der Elektronen 21 sowie ein Betrag der Trägerbeweglichkeit der Löcher 22 gezeigt. Die in 9 gezeigten Verläufe entsprechen der in 3 charakterisierten erfindungsgemäßen Halbleiterdiode. Die in 8 und 9 gezeigten Verläufe stellen die unmittelbar vor dem in 4 und 5 gezeigten Stromabriss auftretenden Verläufe dar (d. h. unmittelbar vor der in 4 und 5 gezeigten Spannungs spitze). Vergleicht man 8 und 9 miteinander, so ist ersichtlich, dass im kathodennahen Bereich der erfindungsgemäßen Halbleiterdiode ein wesentlich höherer Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf auftritt, als in der herkömmlichen Diode.
In 10 ist ein Verlauf einer elektrischen Feldstärke 23 sowie ein Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 24 der in 3 charakterisierten herkömmlichen Diode zum Zeitpunkt eines Stromabrisses der herkömmlichen Diode gezeigt. Analog hierzu ist in 11 ein Verlauf der elektrischen Feldstärke 25, ein Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf 26, ein Betrag der Trägerbeweglichkeit der Elektronen 27 sowie ein Betrag der Trägerbeweglichkeit der Löcher 28 in der in 3 charakterisierten erfindungsgemäßen Halbleiterdiode zum Zeitpunkt des Stromabrisses der in 3 charakterisierten herkömmlichen Diode gezeigt. Vergleicht man 10 und 11 miteinander, so ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Halbleiterdiode im kathodennahen Bereich eine höhere Überschwemmungsladungskonzentration verglichen zur herkömmliche Diode aufweist.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass die erfindungsgemäße Halbleiterdiode zu jedem Zeitpunkt eine verglichen zur herkömmlichen Halbleiterdiode höhere Überschwemmungsladungskonzentration im kathodennahen Bereich aufweist. Damit kann das Auftreten eines Stromabrisses bei ansonsten unveränderter Diodendicke vermieden werden.
Im Folgenden sollen weitere Details zum technischen Hintergrund der Erfindung erläutert werden.
Wie im Vorangehenden ersichtlich wurde, hat die Erfindung zum Ziel, die Überschwemmungsladung vor der Kathode ge zielt zu erhöhen und zugleich deren Abbau beim Abkommutieren gezielt zu verlangsamen, ohne die Chipdicke zu ändern. 1 zeigt in den Kurven 2 bzw. 3 das Abkommutierverhalten einer konventionellen 1200 V-Diode, die unter härteren Schaltbedingungen einen Stromabriss aufweist. In 2 sind die elektrische Feldstärke und die Überschwemmungsladung zu den in 1 angegebenen Zeitpunkten dargestellt.
Eine ausreichend hohe Konzentration der Überschwemmungsladung vor der Kathode der in 1 gezeigten Diode könnte bereitgestellt werden, indem die Randkonzentration (im kathodennahen Bereich) zum Zeitpunkt „A" erhöht wird. Dieser Randkonzentration sind jedoch in der Praxis sehr enge Grenzen gesetzt, da sie nicht nur vom Emitterwirkungsgrad des Kathodenemitters abhängt, sondern auch vom maximalen Gradienten der Trägerüberschwemmung. Letzterer wird von der fließenden Stromdichte maßgeblich bestimmt. In anderen Worten: Bei einer gegebenen Stromdichte ist der Gradient der Trägerüberschwemmung vorgegeben, und damit auch die Randkonzentration, unabhängig vom verwendeten Kathoden-Emitter, sobald dieser eine gewisse Wirksamkeit übersteigt. Es ist somit nicht möglich, die Softness einer hinreichend dünnen Diode alleine über die Wirksamkeit des Kathodenemitters zu steuern.
Erfindungsgemäß wird die Reduktion der Elektronen- und Löcherbeweglichkeit vorzugsweise in einer Zone bis etwa ein Drittel bis ein Vierteil der Chipdicke von der Kathode zur Erreichung einer ausreichenden Softness unter harten Schaltbedingungen vorgeschlagen (siehe 3, in der eine vertikal aufgelöste Konzentration der Trägerüberschwemmung einer erfindungsgemäßen Diode im Vergleich zu einer konventionellen Diode dargestellt ist, beide sowohl mit lokaler als auch homogener Trägerlebensdauereinstellung). Im Beispiel für eine 1200 V-Diode sind das 20 bis 40 μm. Diese Maßnahme führt sowohl zu einer erhöhten Überschwemmungsladung vor der Kathode, als auch zu einer verlangsamten Extraktion dieser Ladung beim Abkommutieren. Die Kombination dieser beiden Effekte ist zur Erreichung der Softness essentiell und wird im Folgenden näher beschrieben:
Im Durchlassfall wird in der Basis-Zone der Diode der eingeprägte Strom zu einem großen Teil als Diffusionsstrom getragen. Eine Reduktion der Beweglichkeiten vor der Kathode führt somit zur Abnahme der ambipolaren Diffusionskonstante vor der Kathode. Um einen gleich großen Diffusionsstrom treiben zu können, muss sich ein steilerer Gradient in der Ladungsträgerdichte ergeben. Sofern die Emittereffizienz der Kathode ausreichend hoch ist, führt dies dann auch zu einer Anhebung der Ladungsträgerdichte vor der Kathode. 3 zeigt zwei gleich dimensionierte Dioden mit einer identischen lokalen Lebensdauersenke vor der Kathode, die sich jedoch hinsichtlich des Gradienten der Trägerüberschwemmung deutlich voneinander unterscheiden.
Vergleicht man nun das Schalten dieser Dioden unter harten Schaltbedingungen (s. 4 u. 5), so reißt die konventionell dimensionierte Diode so stark ab, dass sie in Realität höchstwahrscheinlich zerstört werden würde.
Der Grund für das softere Schalten der Diode mit reduzierter Trägerbeweglichkeit liegt jedoch nicht nur in der günstigeren anfänglichen Trägerverteilung, wie in 3 dargestellt.
Vielmehr schützt die reduzierte Trägerbeweglichkeit die Überschussladung nahe der Kathode vor verfrühter Extraktion. Der Effekt der Beweglichkeitsreduktion wird wirksam, sobald das elektrische Feld während des Abkommutierungsvorgangs die Zone niedriger Beweglichkeit erreicht.
Direkt an der Raumladungszonengrenze sind die elektrischen Feldstärken noch niedrig (keine Sättigungsgeschwindigkeit der Löcher), so dass aus der reduzierten Beweglichkeit eine langsamere Extraktion der Löcher zu Anode, respektive langsamerem du/dt, hin folgt. Gleichzeitig muss zur Aufrechterhaltung des Rückstroms ein steilerer Gradient der Trägerkonzentration zur Raumladungszone hin herrschen als im Fall mit hoher Beweglichkeit. Im gesamten Bauelement muss die gleiche Stromdichte fließen und dieser Strom kann am Rand des verbliebenen mit Trägern überschwemmten Bereichs überwiegend nur als Diffusionsstrom fließen, weil für einen hohen Driftstromanteil zum einen zu wenig Träger zur Verfügung stehen (im Gegensatz zur starken Überschwemmung), zum anderen aufgrund der verbliebenen Träger auch keine hohen Feldstärken wie in der Raumladungszone herrschen können, die eine hohe Driftstromdichte mit nur geringer Trägerdichte ermöglichen. Ein Absenken der verbliebenen maximalen Trägerüberschwemmung durch einen flacheren Gradienten wie im Referenzfall mit hoher Beweglichkeit findet also auch nicht statt. Da Ladungsneutralität herrschen muss, folgt automatisch auch eine langsame Extraktion der Elektronen zur Kathode hin. Es verbleibt also insgesamt mehr Ladung vor der Kathode.
Die verlangsamte Extraktion geht sogar so weit, dass ein kurzzeitiges Ablösen der Überschwemmungsladung von der Kathode kompensiert werden kann (s. 11). Da auch am kathodenseitigen Ende der überschwemmten Zone der ver bliebene Laststrom überwiegend als Diffusionsstrom fließt und dieser Laststrom aufgrund des verlangsamten Ausräumens niedrig wird, hat dies auch einen Einfluss auf den Gradienten der Trägerüberschwemmung zur Kathode hin. Diese Steilheit muss klein sein, um zur niedrigen, dem verlangsamten Ausräumen angepassten, Diffusionsstromdichte zu passen. Um diese geringe Steilheit nun einzustellen, muss der ausgeräumte Bereich vor der Kathode wieder durch Diffusion von Ladungsträgern aufgefüllt werden. Während des harten Schaltens einer konventionellen Diode hingegen findet der Extraktionsprozess von Elektronen und Löchern derart statt, dass sich die zurückbleibende Überschussladung von der Kathode löst und sofort über die Ausdehnung der Raumladungszone extrahiert wird.
Geeignete Methoden, die Trägerbeweglichkeit lokal vor der Kathode zu reduzieren, sind neben Bestrahlungstechniken beispielsweise Teil-kompensierende Dotierungen sowohl mit Donatoren und Akzeptoren.
Die angegebenen Zahlenwerte gelten insbesondere für eine Diode mit 1200 V Nenn-Sperrfähigkeit. Die Technologie ist selbstverständlich auch für andere Nennspannungen geeignet, wobei Dotierungen und Abmessungen entsprechend skaliert werden müssen. Angegebene Eindringtiefen und Abmessungen von 1200 V müssen auf die entsprechenden Enddicken skaliert werden.
Durch Reduktion der Trägerbeweglichkeit vor dem Kathodenemitter wird eine stärkere Trägeranhebung an der Kathode und zugleich eine langsamere Extraktion dieser Ladung erreicht, die zum softeren Schaltverhalten führt.
Um die vorangehend beschriebene Halbleiterdiode herzustellen, wird wenigstens ein Teil der Oberfläche des Halbleitervolumens, die sich zwischen der Anode und der Kathode der Halbleiterdiode befindet, mit hochenergetischen Teilchen bestrahlt, und anschließend ein Ausheilschritt durchgeführt.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Herstellungsverfahrens ist in 13 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleitervolumen 31 einer Diode 30, die sich zwischen einer Anode bzw. einem Anodenbereich 32 und einer Kathode bzw. einem Kathodenbereich 33 befindet, von der Kathodenseite her mit Protonen oder He-Ionen bestrahlt. Dieser Bestrahlungsvorgang bewirkt, dass eine Elektronenbeweglichkeit oder Löcherbeweglichkeit innerhalb einer vor dem Kathodenbereich 33 befindlichen Zone 34 des Halbleitervolumens 31 relativ zum Rest der Halbleiterstruktur 31 reduziert ist, wie in 14 gezeigt ist. Die Beweglichkeit innerhalb des Kathodenbereichs 33 wird durch eine Bestrahlung von der Kathodenseite her zwangsläufig ebenfalls reduziert. Durch die vergleichsweise geringe Ausdehnung des Kathodenbereichs 33 in die Tiefe spielt dies jedoch keine große Rolle. Die Bestrahlung kann ebenfalls bewirken, dass der Emitterwirkungsgrad des Kathodenbereichs 33 verändert wird. Dies kann gegebenenfalls durch an den Emitter angepasste Prozessparameter kompensiert werden.
Der in 13 gezeigte Bestrahlungsprozess dient zur Erzeugung der Zone reduzierter Beweglichkeit 34. Die reduzierte Beweglichkeit von Elektronen bzw. Löchern innerhalb der Zone reduzierter Beweglichkeit 34 wird durch eine relativ zum Rest des Halbleitervolumens 31 erhöhte Konzentration an Streuzentren bewirkt, die durch den Bestrahlungsprozess gesteuert werden kann. In einer erfindungsgemäßen Diode kann die Beweglichkeitsreduktion auch durch eine Protonenbestrahlung mit einem nachfolgenden Temperschritt erzeugt werden. Durch den n-dotierenden Effekt der Protonenbestrahlung lässt sich die Beweglichkeitsreduktion mit der Erzeugung einer – häufig auch benötigten – Feldstoppdotierung in einem Prozessschritt vereinen. Ein derartiger Dotierungskonzentrationsverlauf ist in 12 gezeigt. Der Dotierungskonzentrationsverlauf 36 wurde mittels einer kapazitiven Messung (C(U)-Messung) ermittelt und gibt die Dichte der Donatoren an. Im Vergleich dazu zeigt eine Ermittlung eines Dotierungskonzentrationsverlaufs über Widerstandsmessungen 35 (spreading resistance-Messung) niedrigere Werte, die darauf zurückzuführen sind, dass die Umrechnung auf die Dotierstoffkonzentration über die Ladungsträgerbeweglichkeiten von ungestörtem Silizium erfolgt ist. Da die Beweglichkeit aber durch die Bestrahlung reduziert wurde, wird in der Widerstandsmessung eine niedrigere Dotierung suggeriert.
Erfindungsgemäß soll eine Zone reduzierter Beweglichkeit in der Nähe des n-Emitters bzw. p-Emitters von pn^–n-Dioden bzw. np^–p-Dioden realisiert werden, um ein weicheres Abschaltverhalten dieser Bauelemente zu realisieren.
Es wird vorgeschlagen, die Beweglichkeit in einem in vertikaler Richtung wohldefinierten Bereich dadurch zu reduzieren, indem eine Protonenbestrahlung angewendet wird, die anschließend einem Ausheilschritt bei Temperaturen zwischen 360 °C und 700 °C unterzogen wird. Die Dauer dieses Ausheilprozesses kann typischerweise zwischen 30 Minuten und 10 Stunden liegen. Die Festlegung der Ausheiltemperatur erfolgt insbesondere unter dem Gesichtspunkt, ob durch die Protonenbestrahlung gleichzeitig eine n-dotierte Stoppzone erzeugt werden soll. Wird die Protonenbestrahlung gleichzeitig zur Erzeugung einer Feldstopp-Dotierung herangezogen, so liegen bevorzugte Ausheiltemperaturen zwischen 360°C und 450°C. Soll hingegen lediglich die Ladungsträgbeweglichkeit reduziert werden, ohne einen nennenswerten Dotiereffekt zu erzielen, so liegen bevorzugte Temperaturen zwischen 580°C und 700°C. Die bevorzugte Dauer derartiger Temperprozesse liegen zwischen 60 und 240 Minuten. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Bereiche beschränkt.
Die gewünschte Stärke zur Beweglichkeitsabsenkung kann über die Bestrahlungsdosis erfolgen, aber auch über die Wahl der Ausheiltemperatur. Typische Bestrahlungsdosen liegen im Bereich zwischen 5 × 10¹¹ cm^–2 und 5 × 10¹⁴ cm^–2. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Bereich beschränkt. Es können auch höhere Bestrahlungsdosen als 5 × 10¹⁴ cm^–2 verwendet werden, die sinnvollerweise mit relativ hohen Tempertemperaturen kombiniert werden, um den Effekt absenkender Trägerlebensdauer solch hoher Bestrahlungsdosen zu vermeiden und gleichzeitig keinen zu starken dosierenden Effekt zu erzielen. Ein zu massiv dotierter Feldstopp würde ebenfalls zu einem verfrühten Stromabriss beitragen. Bei wesentlich niedrigeren Bestrahlungsdosen als 5 × 10¹¹ cm^–2 sind die Auswirkungen der Bestrahlung auf Beweglichkeit und/oder Dotierung zu gering, um eine Beeinflussung des Schaltverhaltens zu bewirken.
Der Vergleich von mittels der "Spreading Resistance"-Methode (ist ein Maß für den spezifischen Widerstand, der durch die Beweglichkeit beeinflusst wird) und der C(U)-Methode (ergibt die tatsächliche Dotierung, unbeeinflusst von der Beweglichkeit) ermittelten Dotierungsprofilen (siehe 12) zeigt, das sowohl im durchstrahlten Bereich als auch im sogenannten "end of range" der Proto nenbestrahlung die Beweglichkeit spürbar reduziert ist. Das bedeutet, dass die vertikale Ausdehnung dieser Schicht mit reduzierter Beweglichkeit über die Wahl der Implantationsenergie gesteuert werden kann. Die Reduzierung der Beweglichkeit beim in 12 dargestellten Beispiel beträgt im durchstrahlten Bereich ca. 50 % und im Peakbereich ca. 20 %. Eine Ursache dafür, dass die Beweglichkeitsreduzierung im Peakbereich geringer ausfällt, könnte darin liegen, dass Leerstellen für die Donatorbildung verbraucht werden und somit nicht mehr zur Erzeugung beweglichkeitsreduzierter Leerstellencluster beitragen können.
Man kann anstelle der Protonenbestrahlung auch Heliumbestrahlung anwenden, wobei zur Erzeugung derselben Eindringtiefe deutlich höhere Energien erforderlich sind und natürlich auch der Effekt des Wasserstoff-induzierten Donators entfällt.
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist also eine gezielte Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen, wie z. B. Protonen, in Verbindung mit einem geeigneten Ausheilschritt.
Das vorgeschlagene Prinzip ist in 13 schematisch dargestellt. Um die Beweglichkeit nur im kathodennahen Bereich zu reduzieren, wird die Diode von der Kathodenseite her mit Protonen oder He-Ionen bestrahlt. Die Diode kann auch von einer anderen Seite her bestrahlt werden, beispielsweise in einer Richtung, die senkrecht zur Papierebene steht. Die Energie der Teilchen wird dabei für z. B. 1200 V-Dioden vorzugsweise so gewählt, dass die Eindringtiefe der Teilchen im Silizium etwa einem Viertel bis einem Drittel der gesamten Wafertiefe (Dicke des Halbleitervolumens 31) entspricht. Soll die Protonenbestrahlung simultan zur Erzeugung einer Feldstoppschicht verwendet werden, indem auch deren dotierende Wirkung ausgenutzt wird, so kann es insbesondere bei noch höher sperrenden Bauelementen (bis in den Bereich von 13 kV) sinnvoll sein, die Eindringtiefe aus dem Bereich zwischen einem Zehntel und einem Fünftel der Waferdicke zu wählen /1/.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass in den anodennahen Bereichen eine hohe Trägerbeweglichkeit vorliegt, die zu den – anodenseitig sinnvollen – flachen Trägergradienten führt, während im kathodennahen Bereich die für die Softness benötigte hohe Trägerkonzentration bei niedrigen Beweglichkeiten vorliegt. Liegt die niedrige Beweglichkeit über das gesamte Halbleitervolumen vor, so ist in erster Linie mit höheren Durchlassverlusten zu rechnen, während das Abschaltverhalten sich nicht weiter verbessert. Bei kleinere Eindringtiefen als 10 % der Waferdicke wird die kathodennahe Trägerüberschwemmung bereits frühzeitig beim Schaltvorgang ausgeräumt (siehe beispielsweise die Kurve „LaD" in 2, so dass der erwünschte Effekt eher schwach ausgeprägt.
Abschließend sei noch angemerkt, dass die in /2/ vorgeschlagenen Bestrahlungsverfahren darauf abzielen, die Ladungsträgerbeweglichkeit im anodennahen Bereich herabzusetzen, in dem die Feldstärkeverteilung bei Ausbildung der ladungsträgerverarmten Raumladungszone ihr Maximum besitzt. Diese Bestrahlung zielt auf eine Anhebung der Durchbruchspannung der Dioden durch Reduktion der Beweglichkeit ab. Dagegen zielt die hier vorgeschlagene Bestrahlungsvariante darauf ab, die Beweglichkeit der La dungsträger im kathodennahen Bereich zu reduzieren, um dadurch den Abbau der Plasmazone vor der Kathode während des Kommutierungsvorgangs zu verlangsamen und auf diese Weise zu große Stromsteilheiten am Ende des Kommutierungsvorgangs zu vermeiden. Es ist auch denkbar, beide Verfahren miteinander zu kombinieren.
Die minimale Dicke des Halbleitervolumens ist durch die Sperrfähigkeit und die Dotierung limitiert. Wird die Beweglichkeit an der Anode reduziert (wie in /2/ vorgeschlagen), so lassen sich höhere Werte für die elektrische Feldstärke erzielen, ab denen in Si Avalanche-Multiplikation einsetzt. Somit lässt sich bei gleicher Dicke und Grunddotierung eine höhere Sperrspannung erreichen – oder mit einer höheren Grunddotierung wiederum die gleiche Sperrfähigkeit.
Die Softness einer Diode wird besser, wenn sie eine relativ hohe Grunddotierung besitzt und somit die Raumladungszone von der Anode nicht soweit in das Halbleitervolumen reicht. Die elektrische Feldstärke nimmt in der Raumladungszone mit größerem Abstand von der Anode ab; so dass ab einem gewissen Abstand von der Anode eine reduzierte Beweglichkeit keinen Einfluss auf die Sperrfähigkeit einer Diode hat.
Alle n-Gebiete und p-Gebiete können natürlich in sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen miteinander vertauscht sein, d.h. die Ausführungsformen können invers dotiert sein.
Literaturliste:

/1/ F.-J. Niedernostheide, H.-H. Schulze, U. Kellner-Werdehausen, R. Barthelmess, J. Przybilla, R. Keller, H. Schoof, D. Pikorz, „13 kV Rectifiers: Studies on Diodes and Asymmetric Thyristors", Proc. ISPSD'03, Cambridge, UK, 14.-17.4.2003, S. 122-125.
/2/ V. Kartal, H.-J.Schulze, F.-J. Niedernostheide, „Verfahren zur Reduzierung der Beweglichkeit freier Ladungsträger in einem Halbleiterkörper" Deutsche Patentanmeldung 10207 339.2.

1: Gemessener Spannungsverlauf
2: Gemessener Stromverlauf
3: Simulierter Stromverlauf
4: Stromabrissverlauf
A bis F: Erster bis sechster Zeitpunkt
LaA bis LaE: Zu den Zeitpunkten A bis E korrespondie
: rende Ladungsverteilungen
elB bis elF: Zu den Zeitpunkten C bis F korrespondie
: rende Verläufe der elektrischen Feldstärke
5: Erster Überschwemmungsladungs-Konzentrationsverlauf
6: Zweiter Überschwemmungsladungs-Konzentra
: tionsverlauf
7: Erster Stromverlauf
8: Zweiter Stromverlauf
9: Erster Spannungsverlauf
10: Zweiter Spannungsverlauf
11: Feldstärkeverlauf
12: Überschwemmungsladungs-Konzentrationsver
: lauf
13: Feldstärkeverlauf
14: Überschwemmungsladungs-Konzentrationsver
: lauf
15: Betrag der Trägerbeweglichkeit der Elekt
: ronen
16: Betrag der Trägerbeweglichkeit der Löcher
17: Feldstärkeverlauf
18: Überschwemmungsladungs-Konzentrationsver
: lauf
19: Feldstärkeverlauf
20: Überschwemmungsladungs-Konzentrationsver
: lauf
21: Betrag der Trägerbeweglichkeit der Elekt
: ronen
22: Betrag der Trägerbeweglichkeit der Löcher
23: Feldstärkeverlauf
24: Überschwemmungsladungs-Konzentrationsver
: lauf
25: Feldstärkeverlauf
26: Überschwemmungsladungs-Konzentrationsver
: lauf
27: Betrag der Trägerbeweglichkeit der Elekt
: ronen
28: Betrag der Trägerbeweglichkeit der Löcher
30: Diode
31: Halbleitervolumen
32: Anodenbereich bzw. Anode
33: Kathodenbereich bzw. Kathode
34: Zone reduzierter Beweglichkeit
35: Erster Dotierungskonzentrationsverlauf
36: Zweiter Dotierungskonzentrationsverlauf

Claims

Halbleiterdiode (30), mit: – einer Anode (32), – einer Kathode (33), und – einem Halbleitervolumen (31), das zwischen der Anode (32) und der Kathode (33) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenbeweglichkeit und/oder Löcherbeweglichkeit innerhalb einer vor der Kathode befindlichen Zone (34) des Halbleitervolumens (31) relativ zum Rest des Halbleitervolumens (31) reduziert ist.
Halbleiterdiode (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone (34) an die Kathode (33) angrenzt oder sich in der Nähe der Kathode (33) befindet.
Halbleiterdiode (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone (34) eine quaderförmige Form aufweist.
Halbleiterdiode (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zone (34) nicht größer als 60 % der Dicke des Halbleitervolumens (31) ist.
Halbleiterdiode (30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zone (34) in etwa ein Drittel bis ein Viertel der Dicke des Halbleitervolumens (31) beträgt.
Halbleiterdiode (30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (30) eine 1200 V-Diode ist und die Dicke der Zone (34) 20 bis 40 μm beträgt.
Halbleiterdiode (30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (30) eine pn^–n-Diode ist, und die Elektronenbeweglichkeit und/oder Löcherbeweglichkeit in der Nähe eines n-Emitters der pn^–n-Diode (30) reduziert ist.
Herstellungsverfahren für eine Halbleiterdiode (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den folgenden Schritten: – Bestrahlen wenigstens eines Teils der Oberfläche des Halbleitervolumens (31) der Halbleiterdiode mit hochenergetischen Teilchen, und – Ausheilen des Halbleitervolumens (31).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen des Halbleitervolumens (31) bei Temperaturen zwischen 360 °C und 700 °C erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen des Halbleitervolumens (31) bei Temperaturen unterhalb 550 °C oder oberhalb 600 °C erfolgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dauer des Ausheilprozesses des Halbleitervolumens zwischen 0,5 bis 10 Stunden beträgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Teil der Oberfläche des Halbleitervolumens (31) mit Wasserstoff-Ionen und/oder Helium-Ionen bestrahlt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variieren der Energie der hochenergetischen Teilchen die Eindringtiefe der Teilchen in das Halbleitervolumen (31) geregelt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des Halbleitervolumens (31) so erfolgt, dass Teilchenstrahlen einen Kathodenbereich (33) in Richtung eines Anodenbereichs (32) der Halbleiterdiode (30) durchsetzen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der hochenergetischen Teilchen so gewählt wird, dass eine Eindringtiefe der Teilchenstrahlen in etwa ein Drittel bis ein Viertel der Dicke des Halbleitervolumens (31) beträgt.