DE19981343B4 - Asymmetrisch sperrendes Leistungshalbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiterbauelement,
– bei dem an einer Oberseite (11) eines mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörpers (1) ein hoch dotierter Bereich (2) vorhanden ist, der für elektrische Leitfähigkeit des Vorzeichens dieser Grunddotierung dotiert ist,
– bei dem, von dem hoch dotierten Bereich (2) durch einen die Grunddotierung aufweisenden Bereich (8) getrennt, ein weiterer hoch dotierter Bereich (3) vorhanden ist, der für elektrische Leitfähigkeit des zur Gruncldotierung entgegengesetzten Vorzeichens dotiert ist, so daß ein pn-Übergang (38) ausgebildet ist,
– bei dem der hoch für das Vorzeichen der Grunddotierung dotierte Bereich (2) lateral, d. h. in Richtung quer zu einer Hauptrichtung (4) eines im Betrieb des Bauelementes auftretenden Strompfades, innerhalb des Halbleiterkörpers (1) begrenzt ist,
– bei dem ein ausschließlich lateral an den lateral begrenzten Bereich (2) angrenzender Randbereich (5) vorhanden ist, der für elektrische Leitfähigkeit des Vorzeichens der Grunddotierung mit Dotierstoff in einer höheren Konzentration als der Konzentration der Grunddotierung dotiert ist, und
– bei dem der Randbereich (5) im Vergleich zu dem lateral begrenzten Bereich (2) in der Hauptrichtung eine geringere Abmessung oder in der Hauptrichtung einen geringeren Gradienten der Verteilung der Konzentration des Dotierstoffes oder in der Hauptrichtung eine geringere Abmessung und einen geringeren Gradienten der Verteilung der Korzentration des Dotierstoffes aufweist, so daß ein mit der Grunddotierung versehener Anteil des Halbleiterkörpers (1) dort eine größere effektive Dicke aufweist, wo er in der Hauptrichtung (4) an den Randbereich (5) anschließt, und dort eine im Vergleich dazu geringere effektive Dicke aufweist, wo er in der Hauptrichtung (4) an den lateral begrenzten Bereich (2) anschließt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein asymmetrisch sperrendes Halbleiterbauelement, das in Schaltungen, in denen hohe Spannungen und Ströme auftreten, eingesetzt werden kann.
  • Ein Ziel bei der Entwicklung moderner Schaltungen ist die Verminderung der Anzahl erforderlicher Komponenten wie z. B. Halbleiterbauelemente, Kondensatoren oder Widerstände. Zum einen wird versucht, Schutzbeschaltungen zu reduzieren, was zu erhöhten Belastungen der Bauelemente führt. An die Belastbarkeit dieser Bauelemente mit starkem Strom- oder Spannungsanstieg oder -abfall sind daher erhöhte Anforderungen zu stellen. Zum anderen wird versucht, die Anzahl der Komponenten durch erhöhte Sperrfähigkeit oder verringerte Verlustleistungen vor allem der Halbleiterbauelemente zu reduzieren.
  • Ein Problem, das bei Halbleiterbauelementen auftritt, ist eine Erhöhung der Feldstärke im Randbereich des Bauelementes an der Oberfläche. Diese Erhöhung wird verursacht durch in der Regel positive Oberflächenladungen. Diese führen zu einer unerwünschten Verringerung der Durchbruchspannung in Sperrichtung. Dieser Effekt macht sich verstärkt bemerkbar, wenn das Bauelement in einem im Hinblick auf die angestrebte Sperrfähigkeit sehr dünnen Halbleiterkörper ausgebildet ist. Eine geringe Baudicke wird aber angestrebt, um die gesamte Verlustleistung zu minimieren. Bei asymmetrisch sperrenden Bauelementen kann durch eine niedrige Grunddotierung des das Bauelement bildenden Halbleiterkörpers die Dicke des Bauelementes minimiert werden. Bei typischen Dimensionierungen dieser Bauelemente stößt die Raumladungszone bei Betrieb der Diode in Sperrichtung unter Umständen schon bei einer Spannung, die zwischen 30% und 60% der Durchbruchspannung liegt, an den n+-Bereich an (punch through).
  • In der EP 0 262 356 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines pn-Übergangs hoher Spannungsfestigkeit beschrieben, bei dem der Randbereich eines dotierten Bereiches, der an der Oberseite eines Halbleiterkörpers ausgebildet ist und dessen Grenzfläche einen pn-Übergang bildet, der sich am Fand zur Oberseite des Halbleiterkörpers hin krümmt, nach außen hin mit einer allmählich abnehmenden Dotierungskonzentration versehen wird. Es wird dazu eine Halbleiterschicht auf der Oberseite als Dotierstoffquelle verwendet und die Dosis der Eindiffusion des Dotierstoffes durch mehrere in dieser Halbleiterschicht ausgeätzte Aussparungen unterschiedlicher Breite nach außen hin zunehmend reduziert.
  • In der EP 0 389 863 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines pn-Übergangs hoher Spannungsfestigkeit beschrieben, bei dem das Verfahren aus der EP 0 262 356 B1 ergänzt wird dadurch, daß im Randbereich das Halbleitermaterial von der Oberseite her abgetragen wird. Die Ätztiefe wird dabei so bemessen, daß die Oberflächen-Durchbruchspannung des in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. In EP 0 144 876 ist ein Halbleiterbauelement mit mindestens einer pn-n Schichtenfolge offenbart, bei welchem zur Verbesserung der Sperrfähigkeit die Dicke und die Dotierung einer n-Stoppschicht speziell gewählt werden, so dass erreicht wird, dass die geometrischen Bedingungen der Randanschrägung weniger stringent sind.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein asymmetrisch sperrendes Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, das für eine Minimierung der Gesamtverlustleistung durch geringe Dicke des Bauelementes und geringe Dotierung des Grundmateriales geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Leistungshalbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement wird ein an einer Oberseite eines mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörpers vorhandener lateral begrenzter Bereich, der im Vergleich zu der Grunddotierung des Halbleitermateriales hoch für dasselbe Vorzeichen dotiert ist, lateral durch einen spe ziell ausgebildeten Randbereich abgeschlossen. Dieser Randbereich vermindert die im Betrieb des Bauelementes am Rand des Strompfades auftretende maximale Feldstärke.
  • Eine Hauptrichtung des im Betrieb des Bauelementes auftretenden Strompfades in dem Bauelement verläuft im wesentlichen senkrecht zu dieser Oberseite des Halbleiterkörpers und ist durch den lateral begrenzten Bereich und durch einen weiteren hoch dotierten Bereich bestimmt, der von dem lateral begrenzten Bereich durch einen die Grunddotierung aufweisenden Bereich getrennt im Abstand zu der Oberseite angeordnet und für das der Grunddotierung entgegengesetzte Vorzeichen der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist. Daß zumindest der erstgenannte hoch dotierte Bereich lateral begrenzt ist, heißt, daß er quer zu dieser Hauptrichtung des Strompfades innerhalb des Halbleiterkörpers begrenzt ist und daß die Grenzfläche dieses Bereiches am Rand zu der Oberseite des Halbleiterkörpers hin verläuft. Zwischen den genannten hoch dotierten Bereichen befindet sich ein zentraler Bereich mit der Grunddotierung des Halbleiterkörpers. Ein pn-Übergang wird durch den hoch für das der Grunddotierung entgegengesetzte Vorzeichen der Leitfähigkeit dotierten Bereich und durch daran angrenzendes Halbleitermaterial, das für das Vorzeichen der Leitfähigkeit der Grunddotierung dotiert ist, gebildet und erstreckt sich quer zu der Hauptrichtung des Strompfades.
  • Der in Richtung quer zur Hauptrichtung des Strompfades an den lateral begrenzten Bereich angrenzende Randbereich ist für dasselbe Vorzeichen der Leitfähigkeit dotiert. Der Randbereich hat aber eine geringere Abmessung in der Hauptrichtung oder einen geringeren Gradienten der Konzentration des Dotierstoffes in der Hauptrichtung im Vergleich zu dem lateral begrenzten Bereich, so daß die effektive Dicke des mit der Grunddotierung versehenen zentralen Bereiches angrenzend an den Randbereich größer ist als in dem für den Stromfluß vorgesehenen mittleren Teil des Bauelementes, d. h. an den lateral begrenzten Bereich in der Hauptrichtung angrenzend.
  • Es folgt eine Beschreibung des Bauelementes anhand der Figuren, die als Beispiele je einen Querschnitt eines Bauelementes mit einem Randbereich verminderter Abmessung zeigen.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Diode. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen GTO.
    •
  • Das nachfolgend anhand der 1 beschriebene Ausführungsbeispiel soll das Wesentliche der Erfindung erläutern. Es ist anhand dieser Figur leicht erkennbar, wie mögliche andere Ausführungen des erfindungsgemäßen Bauelementes aussehen; das sind allgemein beliebige asymmetrisch sperrende Bauelemente wie Dioden, asymmetrische (also einseitig sperrende) Transistoren und Thyristoren, insbesondere GTOs (gate turn off thyristors), sowie monolithisch integrierte Systeme wie z. B. rückwärtsleitende Thyristoren. Die in der 1 eingetragenen typischen Abmessungen für die Dicken der einzelnen dotierten Bereiche sind ebenfalls nur als Beispiele zu verstehen.
  • Die 1 zeigt den Randbereich einer Leistungsdiode im Querschnitt. Die in diesem Beispiel rotationssymmetrische Diode ergibt sich durch eine Rotation des dargestellten Querschnittes um die linke Begrenzungslinie 22. Ein Halbleiterkörper 1 weist eine Grunddotierung auf, die in diesem Fall aus einer niedrigen Dotierungskonzentration für n–-Leitfähigkeit besteht. In diesem Halbleiterkörper sind an einander gegenüberliegenden Oberseiten hoch dotierte Bereiche für zueinander entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen ausgebildet. In diesem Beispiel ist der n+-Bereich 2 lateral in der Ebene der Oberseite 11 des Halbleiterkörpers begrenzt. Der entgegengesetzt dotierte p+-Bereich 3 erstreckt sich über die gesamte gegenüberliegende Oberseite 12 des Bauelementes. Kontakte 6, 7 für elektrischen Anschluß sind auf den äußeren Oberflächen dieser Bereiche aufgebracht. Diese Kontakte sind vorzugsweise aus Metall. Die Vorzeichen der Dotierungen sind in den Figuren nur als Beispiel angegeben und können vertauscht sein.
  • Durch die Anordnung der dotierten Bereiche 2, 3 ist eine Hauptrichtung 4 für den Strompfad im Betrieb des Bauelementes bestimmt. Diese Hauptrichtung 4 ist hier in der technischen Stromrichtung eingezeichnet. Quer zu dieser Hauptrichtung 4 ist der lateral begrenzte dotierte Bereich 2 rings von einem weiteren dotierten Bereich gleichen Vorzeichens der Leitfähigkeit als Randbereich 5 umgeben. Dieser Randbereich 5 grenzt an den lateral begrenzten Bereich 2 an und ist entsprechend diesem Bereich 2 n-leitend dotiert. Wie den in der Figur eingezeichneten Abmessungen zu entnehmen ist, ist der Randbereich 5 gegenüber dem n+-Bereich 2 in seiner Abmessung in der Hauptrichtung 4 vermindert. Seitlich zu dem n+-Bereich 2 ist daher der Bereich der n--Grunddotierung etwas dicker als im Bereich des Strompfades.
  • Die effektive Dicke des zentralen Bereiches 8 (Basisbereich) des Halbleiterkörpers 1, der die Grunddotierung aufweist und sich zwischen den hoch dotierten Bereichen 2, 3 (Emitterbereiche) befindet, kann daher ausreichend dünn gewählt werden, um wesentliche elektrische Parameter wie z. B. die Durchlaßspannung oder die Speicherladung zu optimieren, während seitlich des lateral begrenzten Bereiches 2 die dort höhere effektive Dicke des zentralen Bereiches 8 eine Reduzierung der elektrischen Feldstärke zur Folge hat. Damit wird erreicht, daß ein Durchbruch bei Betrieb in Sperrichtung nicht im Randbereich, sondern im mittleren Bereich des Bauelementes auftritt und so die im wesentlichen mittels der Grunddotierung des Halbleitermateriales vorgegebene ideale Durchbruchspannung erzielt werden kann. Die effektive Dicke wird im wesentlichen durch die Dicke des zentralen Bereiches 8 (Basisbereich) der Grunddotierung vorgegeben und nur zu einem sehr geringen Anteil durch die Dicken der hoch dotierten Bereiche 2, 3 (Emitterbereiche) beeinflußt. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht entsprechend den in der Figur eingetragenen Abmessungen einen Randbereich mit höchstens einem Drittel der Dicke des lateral begrenzten Bereiches 2 vor.
  • Der Randbereich 5 kann, wie in dem Beispiel dargestellt, eine gegenüber dem angrenzenden hoch dotierten Bereich 2 in der Hauptrichtung 4 verminderte Abmessung besitzen. Den gewünschten Effekt erreicht man erfindungsgemäß auch dadurch, daß der Gradient der Konzentration des Dotierstoffes in der Hauptrichtung 4 in dem Randbereich 5 geringer eingestellt wird als in dem angrenzenden hoch dotierten Bereich 2. Das läßt sich durch die in der Figur wiedergegebenen geometrischen Konturen nicht darstellen. Die in der Figur eingezeichneten oberen und unteren Begrenzungen der Bereiche 2 und 5 können bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel auf gleicher Höhe liegen. Zusätzlich zu einer Verminderung des Gradienten der Konzentration des Dotierstoffes kann die Abmessung des Randbereiches 5, wie in der Figur dargestellt, in der Hauptrichtung vermindert sein (d. h., von der Oberseite des Halbleiterkörpers aus gesehen, sinkt die Konzentration des Dotierstoffes in dem Randbereich bereits vor Erreichen des Niveaus der in der Figur unteren Begrenzung des lateral begrenzten Bereiches 2 auf den Wert in dem zentralen Bereich 8 ab). Durch diese Mittel ergibt sich in der Hauptrichtung angrenzend an den lateral begrenzten Bereich 2 eine deutlich geringere effektive Dicke des zentralen Bereiches 8 als im Randbereich des Bauelementes angrenzend an den Randbereich 5.
  • Bei der dargestellten Diode ist der Halbleiterkörper auf der Seite des pn-Überganges 38 durch eine spitzwinklige Kante 10 begrenzt (Abschluß des pn-Überganges durch einen sogenannten positiven Winkel). Der Innenwinkel a zwischen der Oberseite 12 und der Seitenfläche 21 (Mantel des den Halbleiterkörper bildenden Kegelstumpfes) bzw. zwischen der Ebene des pn-Überganges 38 und dieser Seitenfläche 21 beträgt typisch etwa 40°. Bei einer Dimensionierung der Dicke des Basisbereiches auf „punch through" (s. diesbezügliche Ausführungen in der Beschreibungseinleitung) werden die an dem Rand des Überganges vom n+-dotierten Bereich 2 zum n-dotierten Bereich 8 auftretenden hohen Feldstärken durch den erfindungsgemäß vorhan denen Randbereich 5 verringert. Falls notwendig, kann dann z. B. durch Ätzen des Randbereiches 5 die Feldstärke an der Oberfläche weiter auf einen unkritischen Wert reduziert werden. Bei einem geringeren Gradienten der Konzentration des Dotierstoffes im Randbereich 5 kann durch einen solchen Ätzprozeß die Oberflächenfeldstärke stärker reduziert werden. Bei dieser Diode ist damit erreicht, daß der Durchbruch bei Betrieb in Sperrrichtung nicht im Randbereich, sondern im zentralen Bereich des Bauelementes auftritt und somit die im wesentlichen über die Grunddotierung des Halbleiterkörpers 1 vorgegebene ideale Durchbruchspannung eingestellt werden kann. Die Durchbruchspannung der Diode wird durch die Krümmung der Begrenzung des n+-Bereiches 2 am Rand nicht wesentlich beeinflußt.
  • Die angegebene Struktur läßt sich z. B. in der Weise realisieren, daß zuerst ein Diffusionsprozeß für die Dotierung des Bereiches 2 (Emitterbereich) durchgeführt wird. Die Temperatur und die Diffusionszeit werden der gewünschten Abmessung des zentralen n+-Bereiches 2 unter Berücksichtigung der Diffusionskonstante des Dotierstoffes angepaßt. Bei dem angegebenen Beispiel und einem Halbleiterkörper aus Silizium kann zur Ausbildung der n+-Dotierung unter Verwendung einer Maske z. B. eine POCl3-Diffusion mit anschließendem Temperschritt zur Ausheilung oder eine Phosphorionenimplantation mit anschließendem Temperschritt zur Ausheilung vorgenommen werden. Das Eintreiben des Dotierstoffes und Ausheilen erfolgt z. B. bei 1240°C eine halbe Stunde lang.
  • Im Anschluß daran wird z. B. eine ganzflächige Phosphorionenimplantation oder eine POCl3-Belegung des Bauelementes mit einem anschließenden Eintreib- und Ausheilschritt durchgeführt. Bei der Wahl der Prozeßparameter ist zu berücksichtigen, daß bei der Herstellung des Randbereiches 5 der Dotierstoff des zentralen Bereiches 2 weiter in den Halbleiterkörper eindringt, so daß sich die Abmessung des Bereiches 2 in der Hauptrichtung 4 vergrößert.
  • Statt dieses Verfahrens kann zunächst ganzflächig eine Dotierung eingebracht und ausgeheilt werden, die in der Eindringtiefe und der Konzentration den gewünschten Werten in dem Radbereich 5 entspricht. Anschließend wird unter Verwendung einer Maske, die den Randbereich abdeckt, der zentrale Bereich 2 durch weiteres Einbringen von Dotierstoff und Aushei-len in den gewünschten Abmessungen hergestellt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß durch dieses Ausheilen sich auch die Eindringtiefe und die Konzentration des Dotierstoffes im Randbereich 5 ändern, allerdings in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Diode wird der Gradient der Diffusion für n-Leitung im Randbereich 5 geringer als im Bereich 2 gewählt, um die elektrische Feldstärke im Randbereich etwas sachter abnehmen zu lassen. Es kann außerdem von Vorteil sein, wenn wie in der Figur dargestellt die Oberseite 11 des Halbleiterkörpers im Bereich des Randbereiches 5 zur Kante 9 hin abgeschrägt wird. Die Dicke des Randbereiches 5 vermindert sich dann kontinuierlich zur äußeren Kante 9 des Bauelementes hin.
  • In 2 ist als weiteres Beispiel ein der 1 entsprechender Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen GTO dargestllt. Der lateral begrenzte Bereich ist hier eine n-leitend dotierte Pufferzone 15 mit einem Anodenkurzschluß 14, in der p+-leitend dotierte Bereiche 13 als Anoden eingebettet sind. An der gegenüberliegenden Oberseite sind n+-leitend dotierte Kathoden 16 mit für das Gate vorgesehenen geätzten Gräben 17 vorhanden. Der gestrichelt umrandete Bereich kann, muß aber nicht vorhanden sein. Für elektrischen Anschluß sind Kontakte auf den jeweiligen Bereiche vorhanden, die in der 2 nicht eingezeichnet sind.
  • Bei einer monolithischen Integration eines erfindungsgemäßen Bauelementes, z. B. eines rückwärtsleitenden Thyristors, in einem größeren Halbleiterkörper ggf. mit weiteren Bauelementen zusammen besitzt entweder die Diode oder der Thyristor einen Randabschluß, der in einer naheliegenden Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispieles innerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildet ist.
  • Der beschriebene Randbereich, unter dem die effektive Dicke des mit der Grunddotierung versehenen seitlichen Anteils des Basisbereiches größer ist als im mittleren Bereich des Bauelementes, umgibt den mittleren Bereich vorzugsweise ringsum.

Claims (3)

  1. Leistungshalbleiterbauelement, – bei dem an einer Oberseite (11) eines mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörpers (1) ein hoch dotierter Bereich (2) vorhanden ist, der für elektrische Leitfähigkeit des Vorzeichens dieser Grunddotierung dotiert ist, – bei dem, von dem hoch dotierten Bereich (2) durch einen die Grunddotierung aufweisenden Bereich (8) getrennt, ein weiterer hoch dotierter Bereich (3) vorhanden ist, der für elektrische Leitfähigkeit des zur Gruncldotierung entgegengesetzten Vorzeichens dotiert ist, so daß ein pn-Übergang (38) ausgebildet ist, – bei dem der hoch für das Vorzeichen der Grunddotierung dotierte Bereich (2) lateral, d. h. in Richtung quer zu einer Hauptrichtung (4) eines im Betrieb des Bauelementes auftretenden Strompfades, innerhalb des Halbleiterkörpers (1) begrenzt ist, – bei dem ein ausschließlich lateral an den lateral begrenzten Bereich (2) angrenzender Randbereich (5) vorhanden ist, der für elektrische Leitfähigkeit des Vorzeichens der Grunddotierung mit Dotierstoff in einer höheren Konzentration als der Konzentration der Grunddotierung dotiert ist, und – bei dem der Randbereich (5) im Vergleich zu dem lateral begrenzten Bereich (2) in der Hauptrichtung eine geringere Abmessung oder in der Hauptrichtung einen geringeren Gradienten der Verteilung der Konzentration des Dotierstoffes oder in der Hauptrichtung eine geringere Abmessung und einen geringeren Gradienten der Verteilung der Korzentration des Dotierstoffes aufweist, so daß ein mit der Grunddotierung versehener Anteil des Halbleiterkörpers (1) dort eine größere effektive Dicke aufweist, wo er in der Hauptrichtung (4) an den Randbereich (5) anschließt, und dort eine im Vergleich dazu geringere effektive Dicke aufweist, wo er in der Hauptrichtung (4) an den lateral begrenzten Bereich (2) anschließt.
  2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der Randbereich (5) in der Hauptrichtung (4) höchstens ein drittel so dick ist wie der lateral begrenzte Bereich (2).
  3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, – bei dem die hoch dotierten Bereiche (2, 3) an einander gegenüberliegenden Oberseiten des Halbleiterkörpers (1) angeordnet sind, – bei dem der pn-Übergang (38) durch eine seitliche Flanke des Halbleiterkörpers (1) begrenzt ist, die mit derjenigen Oberseite des Halbleiterkörpers, an der der entgegengesetzt zum Vorzeichen der Grunddotierung hoch dotierte Bereich (3) vorhanden ist, einen spitzen Winkel einschließt, und – bei dem die Oberseite des Halbleiterkörpers, an der der lateral begrenzte Bereich (2) vorhanden ist, mit der seitlichen Flanke des Halbleiterkörpers einen stumpfen Winkel einschließt.
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