DE102005056426B4

DE102005056426B4 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102005056426B4
Application number: DE102005056426A
Authority: DE
Inventors: Frank Hille; Frank Umbach; Dr. Mauder Anton; Dr. Schulze Hans-Joachim; Thomas Laska; Manfred Pfaffenlehner
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: US7709887B2; US20070152268A1; DE102005056426A1

Abstract

Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate mit – einem ersten Halbleitergebiet (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps (n); – einem zweiten Halbleitergebiet (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps (p), welches auf einer oberen Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets (2) gebildet ist; – einem dritten Halbleitergebiet (4) des ersten Leitfähigkeitstyps (n), welches selektiv in der oberen Oberfläche des zweiten Halbleitergebiets (3) gebildet ist; – einem Graben (5, 6), welcher sich von der Oberfläche des dritten Halbleitergebiets (4) in die Tiefe in das zweite Halbleitergebiet (3) erstreckt; – einer eine Gate-Elektrode (8) im Graben (5, 6) isolierenden dielektrischen Schicht (7), die im Graben vorgesehen ist, vollständig den Boden davon bedeckt und sich bis zu einem Ort erstreckt, welcher höher als die obere Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets (2) befindlich ist, und – einem vierten Halbleitergebiet (18) des ersten Leitfähigkeitstyps (n), welches in direktem Kontakt mit dem ersten und dem zweiten Halbleitergebiet (2, 3) steht...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Im Nachfolgenden werden die Leistungsbauelemente als Elemente definiert, die beispielsweise in der Automobil- und Industrieelektronik verwendet werden und mindestens eine Komponente aufweisen, die zum Schalten von Spannungen und Strömen vorgesehen ist. Der Spannungs- und Strombereich solcher Leistungs- bzw. Hochleistungsbauelemente liegt in einem Bereich von 5 V bis 6500 V pro Bauelement und Stromstärken von wenigen Milliampere bis mehreren hundert Ampere pro Bauelement.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (IGBT), der üblicherweise wenigstens aus einer Zone eines zweiten Leitungstyps (Kollektorschicht), einem Bereich (Driftzone) des ersten Leitungstyps, einem Bodybereich des zweiten Leitungstyps, in den Wannenzonen des ersten Leitungstyps eingebettet sind, und einer durch eine Isolierschicht beabstandeten Gateelektrode oberhalb der Wannenzone besteht. Unter einem IGBT soll dabei und im folgendenen auch ein sogenannter IEGT (IEGT = Injection Enhanced Gated Transistor) verstanden werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Trench-IGBT, der bei höheren Spannungen ab etwa 600 V eingesetzt wird.
Die Grundstruktur eines derartigen IGBTs ist in 1A gezeigt.
Ein Halbleiterkörper weist eine mit einer Metallisierung 13 versehene p-leitende Kollektorzone 1 auf, auf der nacheinander eine erste n-leitende Bodyzone (Driftzone) 2 und eine zweite p-leitende Bodyzone 3 vorgesehen sind. In die p-leitende Bodyzone 3 ist eine n-leitende Emitterzone 4 eingebettet. Im vorliegenden Beispiel sind IGBT-Zellen gezeigt, so dass entsprechend zwei Emitterzonen 4 vorhanden sind.
Die Emitterzone 4 und die p-leitende Bodyzone 3 werden durch Trenches 5, 6 durchsetzt, die bis in die n-leitende Bodyzone reichen. Diese Trenches 5, 6 sind mit einer als Gateoxid wirkenden Isolierschicht 7 aus beispielsweise Siliziumdioxid ausgekleidet. Das Innere der Trenches 5, 6 ist mit einem polykristallinen Silizium gefüllt, das eine Gateelektrode 8 bildet. Diese Gateelektrode 8 ist mit einer Isolierschicht 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder aus amorphem Siliziumkarbid abgedeckt, so dass das leitende Material 8 von einer als Emitterkontakt 11 dienenden Metallisierung auf einer Hauptoberfläche 9 elektrisch getrennt ist.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Dotierungen jeweils umgekehrt gestaltet werden können, so dass aus der in 1A z. B. bezeichneten p-Kollektorschicht 1 auch eine n-Kollektorschicht werden kann, wobei in diesem Fall die Driftzone 2 p-Dotierung aufweist, die Bodyzone 3 n-dotiert ist und die in die Bodyzone 3 eingelassenen Wannen 4 p-dotiert sind.
Wie in 1B dargestellt ist, umfasst ein Halbleiterbauelement einen Trench-IGBT mit isoliertem Gate, der aus vielen, im allgemeinen vielen hunderten von parallelgeschalteten IGBT-Zellen besteht. Eine Zelle ist in 1A dargestellt, während in 1B mehrere solcher Zellen in Draufsicht abgebildet sind, die in einem Zellenfeld angeordnet sind. Für höhere Spannungen sind, wie bereits erwähnt wurde, besonders IGBTs und IEGTs geeignet, für die drei Beispiele in den 2, 3, und 4 gezeigt sind.
Im Beispiel von 2 ist der Abstand zwischen zwei Zellen durch einen optionalen zusätzlichen Trench 14 ohne Emitterzone erweitert, während in den Beispielen der 3 und 4 zwischen den entsprechenden beiden Zellen eine relativ breite p-leitende Zone 15 (p-float) gelegen ist, die mit einer Ausbuchtung 17 den Trenchrand überlappen kann. Im Beispiel von 4 sind zusätzlich zum Beispiel von 3 noch die leitenden Materialen 8 in den Trenches 5, 6 der benachbarten Zellen durch eine Leiterschicht 16 miteinander verbunden. Die Isolierschicht 7 kann an der zur Emitterzone 4 abgewandten Seite ggf. auch dicker ausgeführt sein.
Hochvoltschalter in der Leistungselektronik, wie IGBTs und dergleichen, werden üblicherweise so ausgelegt, dass deren Sperrspannung deutlich oberhalb der typischen von der Anwendung vorgegebenen Betriebsspannung liegt. Liegt die Betriebsspannung zum Beispiel im Bereich von 600–850 V, so wird ein dafür zur Verfügung gestelltes Schaltermodul (z. B. IGBT) beispielsweise so ausgelegt, dass es eine Nenn-Sperrspannung von 1200 V aufweist. Wie sich gezeigt hat, ist ein derart großer Sicherheitsabstand notwendig, um die beim Abschalten der Hochvoltschalter auftretenden hohen Überspannungen aufzufangen, damit eine Zerstörung des IGBTs sicher vermieden wird. Ursache für die hohen Überspannungen sind große Stromänderungsgeschwindigkeiten di/dt und die stets vorhandenen (auch parasitären) Induktivitäten (”Streuinduktivitäten”). Besonders hohe Überspannungen treten vor allem dann auf, wenn ein Mehrfaches des Nennstroms auszuschalten ist, wie im so genannten Überstrom- bzw. Kurzschluss-Fall.
In dieser Hinsicht haben sich vor allem die modernen, sehr schnell (aus-)schaltenden Hochvoltschalter als problematisch erwiesen, welche bei hohen Streuinduktivitäten zu sehr hohen Überspannungen neigen. Beispiele für solche modernen, schnell schaltenden IGBTs sind in T. Laska et al. ”The Field Stop IGBT (FS-IGBT) – A New Power Device Concept with a Great Improvement Potential”, Proceedings of the 12th ISPSD, Seiten 355–358, 2000; M. Otsuki et al. ”Investigation of the Short-Circuit Capability of 1200 V Trench Gate Field-Stop IGBTs, Proceedings of the 14th ISPSD, Seiten 281–284, 2002; S. Dewar et al. ”Soft Punch Through (SPT) – Setting New Standards in 1200 V IGBT”, Proc. PCIM Europe, 2000; K. Nakamura et al. ”Advanced Wide Cell Pitch CSTBTs Having Light Punch-Through (LPT) Structures”, Proceedings of the 14th ISPSD, Seiten 277–280, 2002 beschrieben. Ein FS-IGBT unterscheidet sich vom in der 1 gezeigten IGBT dadurch, dass zwischen dem p-leitenden Gebiet 1 und der n-leitenden Schicht der Basis- oder Driftzone 2 eine höher dotierte n-Feldstoppschicht angeordnet ist. Es sind außerdem weitere Variationen eines IGBTs bekannt, wie z. B. ein Punch-Through-IGBT (PT-IGBT), bei denen die Driftzone in mehrere unterschiedlich dotierte n-Gebiete unterteilt ist.
In der 5 ist ein V/t-Diagramm abgebildet, bei dem die beim Ausschalten aufgetretenen Spannungen V in Abhängigkeit von der Zeit t aufgezeigt sind. Wie der 5 zu entnehmen ist, würde die Überspannung bei dem Schaltvorgang eines herkömmlichen IGBTs ohne regulierende Maßnahmen über die Durchbruchsspannung (vgl. beispielsweise ”1200 V”) ansteigen und das Bauelement gegebenenfalls zerstören (Kurve a). Bei der Verwendung herkömmlicher IGBTs muss deshalb ein ausreichender Sicherheitsabstand zwischen der Zwischenkreisspannung und der statischen Durchbruchsspannung des Bauelements eingehalten werden.
Um die Überspannung stets unterhalb der Durchbruchsspannungen zu halten, wird die Schaltgeschwindigkeit bei den herkömmlichen IGBTs so weit reduziert, dass die an Streuinduktivitäten generierte Überspannung in jedem denkbaren Betriebs- und Störfall sicher unterhalb der spezifischen Durchbruchspannung (z. B. 1200 V) bleibt. Eine Kurve b zeigt das Verhalten eines IGBTs, bei dem die Schaltgeschwindigkeit so weit reduziert ist, dass die Durchbruchsspannung von 1200 V nicht erreicht wird. Bei diesem Konzept werden jedoch hohe Schaltverluste in Kauf genommen.
Eine Möglichkeit, diese Schaltverluste zu minimieren, besteht darin, die Überspannung durch aktiven Eingriff in den Schaltvorgang mit z. B. Wiederaufsteuern des Schalters oder ”Clamping” mit Zenerdioden zu begrenzen. Dieser Schaltvorgang ist durch eine Kurve c in der 5 dargestellt. Das dabei verwendete Konzept erfordert aber einen zusätzlichen Aufwand bei der Ansteuerung und Beschaltung. In beiden Fällen liegt die spezifizierte Durchbruchsspannung (z. B. 1200 V) deutlich über dem nutzbaren Zwischenkreisspannungsbereich von z. B. 650–850 V.
Idealerweise sollen die Bauelemente die Eigenschaft besitzen, die Überspannung dynamisch zu begrenzen. Das Niveau der dynamischen Begrenzungsspannung sollte dabei im Bereich der zuvor verwendeten und spezifizierten Durchbruchsspannung von beispielsweise 1200 V liegen, um geringe Schaltverluste zu erreichen. Die dynamische Begrenzung hätte den Vorteil, dass in diesem Fall die statische Durchbruchsspannung der Bauelemente unterhalb dieser Spannung liegen kann. Die statische Durchbruchsspannung soll dabei unwesentlich über der maximalen Zwischenkreisspannung von beispielsweise 1000 V liegen. Die während des Schaltvorgangs auftretenden Spannungen eines solchen Bauelements sind in 5 in einer Kurve d gezeigt. Ein solches Bauelement könnte auf eine niedrige Durchbruchsspannung ausgelegt werden. Durch die geringe Dicke des Bauelements können sowohl die Durchlassverluste als auch Schaltverluste reduziert werden. In Betriebsfällen, in denen das Bauelement seine Überspannung dynamisch begrenzt, entstehen die für diesen Fall (Streuinduktivität und Stromstärke) minimal möglichen Schaltverluste.
Diese Möglichkeit, Überspannungen in IGBTs zu begrenzen, wurde in letzter Zeit als die dynamische ”Selbstklemmeigenschaft” (dynamic clamping) eines IGBTs diskutiert, welche auf den Änderungen der Nettoraumladungsdichte des Driftgebiets aufgrund eines Avalanche-Stroms, ausgeschwemmten Ladungsträgern der neutralen Region und der kollektorseitigen Injektion von Löchern beruht (siehe z. B. M. Takei et al. ”Analysis an the Self-Clamp Phenomena of IGBTs” in Proc. 11^th ISPSD, Poster Session, Paper 7.1, 1999 und M. Otsuki ”1200 V FS-IGBT module with enhanced dynamic clamping capability”, Proceedings of the 2004 ISPSD, Seiten 339–392, 2004).
Wenn es demzufolge gelingt, einen Hochvoltschalter so zu gestalten, dass er trotz vorhandener hoher Streuinduktivitäten und hoher Stromänderungsgeschwindigkeiten in der Lage ist, eine während des Abschaltens auftretende hohe Überspannung durch Selbstklemmen dynamisch zu begrenzen (”Dynamic Clamping”) und bei dieser Belastung (welche bis zu einem Mehrfachen des Nennstroms bei etwa der Nennspannung betragen kann) ab Überschreiten einer kritischen Sperrspannung (Clamping-Spannung) einen hohen Strom von der Größenordnung des Nennstroms und darüber kurzzeitig über viele 100 ns bis einige μs führen zu können, ohne dass es zu einer Filamentierung oder Zerstörung des Bauelements kommt, würden solche Bauelemente auf diese Weise einen reduzierten Ansteueraufwand ermöglichen. Dabei sind die dynamisch auftretenden Überspannungsspitzen sicher unterhalb der maximal zulässigen statischen Spannung des Bauelements gehalten, da bei Überschreiten der Clamping-Spannung die Ursache für die Überspannung durch einen verlängerten bzw. erhöhten Stromfluss abgebaut wird.
Damit würden dem Anwender wesentlich mehr Gestaltungsfreiheiten, insbesondere in Bezug auf ein Umrichter-Design, zur Verfügung stehen (minimierter Ansteueraufwand und/oder minimierter Aufwand hinsichtlich der Streuinduktivitäten). Darüber hinaus wäre dies sehr vorteilhaft für den Bauelementehersteller, da die Chips noch schneller schaltend und damit verlustärmer konzipiert werden könnten, ohne die Gefahr von zu hohen Überspannungen beim Abschalten unter Extrembedingungen (Überstrom- bzw. Kurzschlussfall) zu erhöhen.
Um dies zu erreichen, sollte auch das Design eines IGBT-Chips in besonderer Weise konzipiert werden. So sind unter anderem der Rückseiten-Emitterwirkungsgrad und die Feldstoppschicht in geeigneter Art zu dimensionieren (siehe beispielsweise M. Otsuki et al. ”1200 V FS-IGBT module with enhanced clamping capability”; Proceedings of the 2004 ISPSD, Seiten 339–342, 2004).
Im einzelnen ist aus der EP 0 583 028 B1 ein Halbleiterbauelement mit einem isolierten Gate, einem n-Typ-Driftgebiet, einem p-Bodygebiet, einem Graben, der sich in das Bodygebiet erstreckt, und einem Halbleitergebiet des n-Typs, welches in Kontakt mit dem Bodygebiet und dem Driftgebiet steht und lateral beabstandet von dem Graben angeordnet ist und auch teilweise unterhalb des Bodygebiets liegt, bekannt.
Weiterhin ist ein ähnliches Halbleiterbauelement in der US 5 895 952 A beschrieben, wobei hier ein n-Typ-Halbleitergebiet so unter einem Bodygebiet liegt, dass das sich das Bodygebiet nicht noch seitlich neben dem n-Typ Halbleitergebiet in das Substrat erstreckt.
Auch die WO 2005/062385 A zeigt ein Halbleiterbauelement mit einem Driftgebiet, einem Bodygebiet, einem Graben mit einem isolierten Gate und einem n-Typ Halbleitergebiet zwischen Driftgebiet und Bodygebiet.
Aus der US 5 751 024 A ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das ebenfalls ein n-Typ-Driftgebiet, ein darauf folgendes, etwas höher dotiertes n-Typ-Gebiet und ein p-Typ-Bodygebiet hat, wobei sich mit Gateelektroden versehene Trenches bis zum Driftgebiet erstrecken.
Der US 2002/0167046 A1 sind Trenchtiefen von 4 bis 6 μm entnehmbar, und aus der DE 103 305 71 A ist ein vertikales Leistungshalbleiterbauelement mit einer Feldstoppschicht bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Halbleiterbauelement (insbesondere einen IGBT) zur Verfügung zu stellen, das eine Selbstbegrenzung von dynamischen Überspannungen (Dynamic-Clamping) aufweist.
Diese Aufgabe wurde durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung dieses Halbleiterbauelements ist in Patentanspruch 18 angegeben.
Für die Bauelemente mit der Eigenschaft der Selbstbegrenzung von dynamischen Überspannungen können der Sicherheitsabstand zwischen der Zwischenkreisspannung und der statischen Durchbruchsspannung kleiner, die statische Durchbruchsspannung niedriger, die Dicke des Bauelements geringer und somit letztlich die Verluste niedriger gehalten werden.
Bei einem herkömmlichen IGBT-Bauelement liegt der Punkt, an dem der Durchbruch erfolgt, im Allgemeinen aufgrund der hohen elektrischen Felder an den Randgebieten des Zellenfelds im Hochvolt-Randabschluss.
Das kann Probleme wie die Injektion heißer Ladungsträger in Isolierschichten zur Folge haben, was zu einer Herabsetzung der Bauelementleistung führt und die Möglichkeit eines zerstörenden bipolaren Durchbruchs wahrscheinlich macht. Es ist daher wünschenswert, den Punkt des Durchbruchs von den Rändern weg und in jede Zelle zu verlegen, da dadurch höhere Ströme homogen über das Bauelement fließen können, so dass die durch den schnellen Anstieg der Spannung am Bauelement erzeugte überschüssige Energie schneller abgeführt werden kann, als dies möglich wäre, wenn der Durchbruch an den Rändern erfolgt.
Es ist daher notwendig, die Zellensperrfähigkeit gegen die Randsperrfähigkeit gezielt abzusenken bzw. die Randsperrfähigkeit gegenüber der Zellensperrfähigkeit ebenfalls gezielt zu erhöhen. Des Weiteren muss die Sperrkennlinie im Durchbruch einen positiven differentiellen Verlauf aufweisen, so dass es zu keiner Filamentierung kommen kann.
Weiterhin ist darauf zu achten, dass es im Rand nicht zu einem dynamischen Umklappen des elektrischen Feldes kommt. Durch den Begriff ”Umklappen des elektrischen Feldes” wird das Phänomen bezeichnet, dass die höchste Feldstärke nicht mehr an der Vorderseite des Bauelements, sondern an der Rückseite des Bauelements auftritt. Da die Sperrfähigkeit des Bauelements mit dem Umklappen des elektrischen Feldes drastisch abnimmt, ist sicherzustellen, dass dieses Umklappen des elektrischen Feldes im Randbereich erst auftreten kann, nachdem es zuvor bereits im Zellenfeld stattgefunden hat. Insbesondere bedeutet dies, dass eine Ladungsinjektion unter dem Rand vermieden bzw. zumindestens reduziert werden muss.
Das Problem der beim Ausschalten infolge von schnellen Stromänderungsgeschwindigkeiten und Streuinduktivitäten auftretenden hohen Überspannungen wurde bislang vornehmlich dadurch gelöst, dass von der Anwenderseite her große Anstrengungen unternommen wurden, sei es durch spezielle Ansteuerschaltungen oder mittels reduzierter Aufbau-Streuinduktivitäten, die auftretenden Überspannungen zu reduzieren, um so die Hochvoltschalter in einer zufriedenstellenden Weise einsetzen zu können. Dies ist jedoch mit hohen Mehrkosten in der Entwicklung und/oder Fertigung verbunden. Darüber hinaus sind durch diese Vorgehensweise die Freiheiten im Chip-Design eingeschränkt.
Weiterhin ist wesentlich, dass die IGBT-Zellen so dimensioniert werden, dass die Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung niedriger ist als die Rand-Durchbruchsspannung, um den Chiprand während der Phase des Dynamic Clamping nicht unnötig stark und einseitig zu belasten. Vielmehr soll erreicht werden, dass die Belastung homogen auf viele Zellen verteilt wird. Eine Möglichkeit, wie dies erreicht werden kann, ist in der DE 100 19 813 C2 beschrieben. Dabei wird die schwache n-Dotierung im Driftbereich zwischen den Zellen beziehungsweise unterhalb der Zellen gezielt angehoben, was jedoch einen erheblichen Mehraufwand mit sich bringt und in prozesstechnischer Hinsicht, insbesondere in Bezug auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, problematisch ist.
Demgegenüber stellt die vorliegende Erfindung einen IGBT bereit, der einen verbesserten Überspannungsschutz aufweist, ohne die eingangs dargestellten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere ist dabei dieses Halbleiterbauelement so konzipiert, dass die Kollektor-Emitter-Spannung niedriger ist als die Rand-Durchbruchsspannung, ohne dabei die herstellungsbedingten Nachteile einer erhöhten Dotierstoffkonzentration im Driftbereich zwischen den Zellen beziehungsweise unterhalb der Zellen in Kauf nehmen zu müssen.
An sich ist ein IGBT mit n-Gebieten unterhalb des p-Bodygebiets in der US 5 751 024 A beschrieben. Damit soll ein IGBT mit einer niedrigen Durchlassspannung ermöglicht werden, wozu sich die n-Gebiete im gesamten Bereich zwischen den Trenches befinden und nicht wie bei der vorliegenden Erfindung beabstandet von den Trenches angeordnet sind. In der EP 0 583 028 B1 wird vorgeschlagen, n-Gebiete zwischen p-Bodygebieten anzuordnen, wodurch der IGBT bei einer Überschreitung der kritischen Spannung in der Nähe des gleichrichtenden Übergangs vom Trench entfernt durchbricht, wenn eine kritische Spannung überschritten wird. Die n-Gebiete gemäß der EP 0 583 028 B1 haben also den Zweck, einen Lawinendurchbruch (Avalanche-Generierung) neben dem Graben zu verhindern oder die Wahrscheinlichkeit des Lawinendurchbruchs zu reduzieren.
Zusammenfassend wird also die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass ein Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate zur Verfügung gestellt wird mit einem ersten Halbleitergebiet (Driftgebiet) eines ersten Leitfähigkeitstyps (n), einem zweiten Halbleitergebiet (Basisgebiet) eines zweiten Leitfähigkeitstyps (p), welches auf oder selektiv in der oberen Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets gebildet ist, einem dritten Halbleitergebiet (Emittergebiet) des ersten Leitfähigkeitstyps (n), welches selektiv in der oberen Oberfläche des zweiten Halbleitergebiets gebildet ist, einem Graben, welcher eine Öffnung in der oberen Oberfläche des dritten Halbleitergebiets aufweist und sich in die Tiefe von der Öffnung in das zweite Halbleitergebiet erstreckt, und einer dielektrischen Schicht, die im Graben vergraben ist und vollständig den Boden davon bedeckt und sich bis zu einem Ort erstreckt, welcher höher als die obere Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets ist, wobei ein viertes Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps (n) vorgesehen ist, welches beabstandet von dem Graben angeordnet ist und im direkten Kontakt mit dem ersten und dem zweiten Halbleitergebiet steht. Dieses vierte Halbleitergebiet ist durch Implantation in das erste Halbleitergebiet gebildet, wobei die Implantation selektiv mit einem Abstand zum Graben durchgeführt wird.
Das Bodygebiet kann außerdem eine mit dem Leitfähigkeitsträger des zweiten Typs (p⁺⁺) stärker dotierte Schicht aufweisen, um eine Kontaktschicht zu bilden.
Im Gegensatz zum IGBT gemäß der EP 0 583 028 B1 , der n-Gebiete zwischen den p-Bodygebiete aufweist, ist es beim erfindungsgemäßen IGBT vorgesehen, beabstandet von dem Graben mindestens ein n-Gebiet unter das p-Bodygebiet anzuordnen.
Wie aus dem Patentanspruch 1 folgt, ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelemont vorzugsweise ein Trench-IGBT. In dem Halbleiterkörper ist in der vorderseitigen Oberfläche eine Grabenstruktur mit einer Mehrzahl von Gräben ausgebildet; das heißt, die Gräben erstrecken sich von der vorderseitigen Oberfläche in den Halbleiterkörper hinein, wobei die Gräben typischerweise in einer senkrechten Richtung zur vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet sind. Eine Eindringtiefe der Gräben bestimmt sich in diesem Fall in einer zur vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers senkrechten Richtung (eine zur vorderseitigen Oberfläche senkrechte Richtung, die zur rückseitigen Oberfläche zeigt) und ist durch die Tiefe der Gräben gegeben.
In der Grabenstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist eine gegenüber ihrer Umgebung elektrisch isolierte Steuerelektrodenstruktur zum Zwecke der Steuerung des Feldeffekts des Halbleiterbauelements eingebettet, d. h. Steuerelektroden sind in den Gräben aufgenommen. Eine elektrische Isolierung der Steuerelektrodenstruktur von ihrer Umgebung kann dabei durch eine gewöhnliche Isolationsschicht, wie einer Oxidschicht erfolgen. Im Allgemeinen sind deshalb zumindest Teile der Steuerelektroden in den Gräben in einer Gegenüberstellung zu den Bodygebieten positioniert, so dass zur elektrisch leitenden Verbindung der Emittergebiete mit dem Driftgebiet durch Feldeffekt ein leitender Kanal in den Bodygebieten ausgebildet werden kann.
Die Eindringtiefe der Emitter- und Bodygebiete in den Halbleiterkörper bzw. das Driftgebiet bestimmt sich, in analoger Weise zur obigen Definition der Eindringtiefe der Gräben, im Allgemeinen in einer von der vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers zur rückseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers gerichteten Richtung, welche typischerweise senkrecht zur vorderseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers steht.
Erfindungsgemäß wird durch das unter dem zweiten Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps (p-Bodygebiet) gelegene vierte Gebiet des ersten (n) Leitfähigkeitstyps zum einen die Durchbruchsspannung der Zelle reduziert, da die Durchbruchspannung der Zelle durch die Feldüberhöhung am pn-Übergang zwischen dem p-Bodygebiet und dem vierten n-Gebiet beeinflusst wird, und zum anderen tritt die höchste Feldstärke nicht mehr am Trench, sondern am vierten n-Gebiet auf.
Der Abstand des vierten Gebietes vom Trench soll im Bereich von 10–200 nm und vorzugsweise 50–200 nm liegen. Ein Abstand von mindestens 100 nm ist dabei besonders bevorzugt.
Die Eindringtiefe des vierten Gebietes ist von der Eindringtiefe des Trenches und, falls vorhanden, des p-float Gebiets abhängig. Dabei soll die Eindringtiefe des vierten Gebietes nicht wesentlich die Eindringtiefe des Trenches bzw. des p-float Gebiets übersteigen. Vorzugsweise beträgt die Eindringstiefe des vierten Gebiets weniger als die zweifache Eindringstiefe der Trenches.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements weisen die Gräben eine Eindringtiefe (Grabentiefe) im Bereich von ca. 4 μm bis ca. 8 um auf. Insbesondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das vierte Gebiet des Halbleiterkörpers eine Eindringtiefe im Bereich von ca. 3 μm bis ca. 16 μm und insbesondere im Bereich vom 3 μm bis 10 μm aufweist.
Das vierte Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps soll einerseits ausreichend hoch dotiert werden, andererseits soll die Dosis des vierten Gebiets unterhalb der Durchbruchsladung liegen, die ca. 1,5 × 10¹² cm^–2 beträgt. Typische Dosen für das vierte Gebiet liegen zwischen 1 × 10¹¹ cm^–2 und 1 × 10¹² cm^–2.
Dabei wird die Dosis als das Integral über die Konzentration der Datierstoffe N_D im vertikalen Schnitt (= Richtung y) durch die folgende Formel definiert: Dosis = ∫N_Ddy
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ein Leistungs-IGBT, der als Hochvoltschalter gestaltet ist.
Im Falle eines Leistungs-IGBTs weist der Halbleiterkörper zwischen dem Driftgebiet (vgl. Bezugszeichen 2 in 1) und dem Rückseitenkontakt 13 (13) weiterhin ein Kollektorgebiet (1) vom zweiten Ladungsträgertyp (p) auf, das stärker dotiert ist als des Driftgebiet. In diesem Fall ist der Rückseitenkontakt üblicherweise großflächig in direktem Kontakt mit dem Kollektorgebiet. Ein solcher Leistungs-IGBT wird auch als Non-Punch-Through(NPT)-IGBT bezeichnet.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, welche als Punch-through(PT)-IGBT oder als Feldstopp(FS)-IGBT bezeichnet wird, weist der Halbleiterkörper ferner zwischen dem Driftgebiet und dem Kollektorgebiet ein Feldstoppgebiet (auch Puffergebiet bezeichnet) vom ersten Ladungsträgertyp (n) auf, das stärker dotiert ist als das Driftgebiet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement eine schwach dimensionierte Feldstopp-Schicht auf (FS-IGBT). Die Dotierung der Feldstoppschicht ist dabei von der Grunddotierung und der Dicke des ersten Gebietes und der Dicke der Feldstoppschicht abhängig und ist so zu wählen, dass das Sperrverhalten des FS-IGBTs so konzipiert werden kann, dass der Durchgriff des elektrischen Feldes bis zum Rückseitenemitter erfolgt (Punchen). Das Punchen soll dabei vorzugsweise oberhalb der maximal verwendeten Zwischenkreisspannung von zum Beispiel 850 V und unterhalb der dynamischen Klemmspannung der Zellen von beispielsweise 1200 V erfolgen. Die Dotierungskonzentration der Feldstoppschicht liegt in der Regel im Bereich von 1 × 10¹⁴ bis 5 × 10¹⁴ Ladungsträger cm^–3.
In dieser Ausführungsform kann es bei jeglicher Spannung im statischen Betrieb sofort zu einem Stromfluss kommen, so dass das Halbleiterbauelement über eine eingebaute Spannungsbegrenzung verfügt. Das erfindungsgemäße Bauelement kann daher so ausgelegt werden, dass bei geringen Strömen die Spannungsbegrenzung durch ein Punchen des elektrischen Feldes an den Rückseitenemitter und erst bei gewissen höheren Stromdichten durch die Avalanche-Generierung an der Zelle erfolgt, wodurch das Bauelemente inhärent weich bzw. ”soft” schaltend ist, da der Tailstrom nicht abreissen kann. Sobald der Stromfluss mit zu hohem di/dt aufhört, greift das Feld durch den schwach dimensioniertem Feldstopp und bewirkt einen weiter fließenden Löcherstrom.
Das Sperrverhalten eines erfindungsgemäßen FS-IGBT ist in 6 angegeben, in der der Verlauf des Stromes I in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung V dargestellt ist.
Der 6 kann entnommen werden, dass ab einer gewissen Spannung, die durch die Dotierung des vierten Halbleitergebiets und der Feldstopp-Schicht eingestellt werden kann, das ”Punchen” an der Rückseitenemitter-Schicht stattfindet, und dass bei einer gewissen kritischen Spannung der Avalanche-Durchbruch (”dyn. Avalanche”) erfolgt, wodurch nur noch ein geringfügiger Spannungsanstieg zu verzeichnen ist, da durch die Avalanche-Multiplikation sofort deutlich mehr Ladungsträger generiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das gewünschte Verhalten des Bauelements sich dadurch einstellen lässt, dass die Sperrkennlinen des aktiven Bereichs und der Randstruktur entsprechend aufeinander abgestimmt werden. Dazu sind grundsätzlich mehrere Ansätze möglich, von denen zwei anhand der 7 und 8 beschrieben werden.
Wie der 7 zu entnehmen ist, wird die Sperrkennlinie des aktiven Bereichs so eingestellt, dass das Bauelement im gewünschten Spannungsbereich die Überspannung begrenzt. Die Kennlinie muss einen positiv differentiellen Verlauf bis zu den maximal auftretenden Strömen haben. Dadurch erhöht sich die Begrenzungsspannung unerheblich mit der Stromstärke. Die Sperrkennlinie des aktiven Bereichs ist mit a' bezeichnet, während die Sperrkennlinie der Randstruktur mit b' und c' gekennzeichnet ist.
Die Sperrkennlinie der Randstruktur hat eine statische Durchbruchsspannung, die unterhalb der Begrenzungsspannung, aber oberhalb der verwendeten Zwischenkreisspannung liegt. Die Kennlinie der Randstruktur kann dabei die der Zelle schneiden (Linie b') oder auch mit ähnlicher Steigung wie die der Zelle ansteigen (Linie c').
Ein anderes Konzept ist in 8 gezeigt. Die Sperrkennlinie der aktiven Gebiete wird wie in der 7 schon beschrieben so ausgelegt, dass die kleinste dynamische Begrenzung bei 1200 V liegt und mit dem Strom ansteigt. Im Gegensatz zu der Ausführung der 7 liegt die Sperrspannung der Randstruktur im gesamten Strombereich über der der Zelle. Als statische Sperrspannung wird in diesem Fall die Sperrspannung des Zellgebietes gemessen, die praktisch gleich der dynamischen Begrenzungsspannung für sehr kleine Ströme ist (ca. 1200 V).
Entscheidend ist, dass, wie in den 7 und 8 dargelegt, die Sperrfähigkeit des Bauelementes auf die Sperrkennlinien des aktiven Gebietes ausgelegt wird. Maßnahmen, die die Sperrspannung absenken oder begrenzen, sind nur dann notwendig, wenn sie zum Einstellen des positiv differentiellen Verlaufs bis in den gewünschten Strombereich benötigt werden.
Im Falle des IGBTs ist es möglich, den Randabschluss des IGBTs mittels einer Feldplatten-Randstruktur oder Ring-Randstruktur vom zweiten Ladungstyp (p) oder JTE-Randstruktur zu gestalten. Die Randdurchbruchsspannung liegt dann üblicherweise unterhalb der Zellenfelddurchbruchsspannung.
Es ist aber bevorzugt, dass das Zellenfeld eine geringere Sperrfähigkeit als der Rand besitzt, so dass ein möglichst hochsperrendes Randkonzept gewählt werden sollte. Die Feldplattenränder sperren üblicherweise 80 bis 85% der Volumendurchbruchsspannung. Von VLD-Rändern (VLD = Variation of Lateral Doping), bei denen die Driftzone graduell dotiert ist, ist bekannt, dass 95 bis 100% der Volumendurchbruchsspannung erreicht werden können. Das wird dadurch erzielt, dass die Feldverteilung im Randbereich sehr homogen ist, was durch den sanften lateralen Dotierverlauf der VLD-Zone eingestellt werden kann.
Bei den heutigen IGBTs stellt dieser laterale Dotierverlauf ein Problem dar, da bereits bei relativ geringen Strömen beim Durchbruch der Durchbruchsort vom Rand ins Zellenfeld zurückspringt. Die herkömmlichen IGBTs werden dann zerstört, weil es aufgrund des Feldstoppkonzepts zu einem negativen differentiellen Kennlinienverlauf des Zellenfeldes und damit zur Filamentierung kommt. Das hat zur Konsequenz, dass das sehr attraktive VLD-Konzept praktisch nicht eingesetzt werden kann, wenn es für eine lateral sehr homogene Feldverteilung im Randbereich und damit maximale Sperrspannung optimiert ist. Für Auslegungen mit inhomogener Feldverteilung schwindet jedoch der Vorteil höherer Sperrspannung gegenüber dem Feldplattenrandkonzept.
Im Falle eines Dynamic-Clamping-IGBTs muss jedoch sowieso eine positiv differentielle Sperrkennlinie des Zellenfeldes über weite Strombereiche realisiert werden, wodurch die Verlagerung des Durchbruchsortes vom Rand ins Zellenfeld gerade erwünscht ist. Vielmehr ermöglicht der VLD-Rand, dass die Zellsperrfähigkeit nicht zu stark zur Erreichung eines Volumendurchbruchs abgesenkt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Randkonzept hochsperrend ist und insbesondere eine VLD-Struktur aufweist.
Um sicherzustellen, dass unterhalb des Randes im Clamping-Fall die Durchbruchsspannung des Randes nicht unter die des Zellenfeldes sinkt, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt werden.
Zum einen sollte keine bzw. möglichst wenig Ladung unter den Rand injiziert werden, die dynamisch eine Verzerrung des Feldes unter dem Rand zur Folge haben könnte. Wegen des größeren Abstandes der im Rand gespeicherten Ladung zum nächsten Kontaktloch könnten sonst evtl. durch Laufzeiteffekte dynamisch ungünstigere Feldverteilungen auftreten als im Zellenfeld.
Zum anderen kann es bei hohen Stromdichten dazu kommen, dass das elektrische Feld umklappt, so dass die höchste Feldstärke nicht mehr an der Vorderseite des Bauelements, sondern an der Rückseite des Bauelements auftritt. Die Sperrfähigkeit des Bauelements nimmt beim Umklappen des elektrischen Feldes dramatisch ab, so dass sicherzustellen ist, dass dieses Umklappen des Feldes im Randbereich erst auftreten kann, nachdem es zuvor bereits im Zellenfeld stattgefunden hat.
Die Elektroneninjektion unter den Rand kann unterbunden bzw. deutlich reduziert werden, wenn die Zellen auf der Längenskala einer ambipolaren Diffusionslänge benachbart zum Rand stillgelegt werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass im Layout schon vorgesehen ist, dass die p⁺-Maske für die stillzulegenden Zellen aufgeweitet wird. Dadurch diffundiert die p⁺-Implantation an die Trenchseitenwand bzw. wird bis an die Trenchseitenwand implantiert, so dass die Schwellspannung dieser Zellen dramatisch erhöht wird und diese praktisch nicht mehr einschalten. Letztlich ist jedoch die genaue Maßnahme unerheblich, solange die Elektroneninjektion von der Vorderseite auf der Skala einer Diffusionslänge zum Rand unterbunden wird. Eine weitere Möglichkeit, dies zu erzielen, kann durch die Aussparung der Source-Implantation erreicht werden.
Um das Umklappen des elektrischen Feldes zu vermeiden, sollte die Bipolarverstärkung gezielt im Randbereich reduziert werden. Hierdurch wird sowohl die statische Sperrfähigkeit verbessert, als auch das Auftreten von dynamischem Avalanche verhindert, da die kollektorseitige Löcherinjektion unterbunden wird.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten, die bipolare Verstärkung im Randbereich zu reduzieren. Eine Möglichkeit ist, eine lokale Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer im Randbereich zu erzielen. Hierzu kann durch eine maskierte Elektronenbestrahlung die Ladungsträgerlebensdauer im gesamten Vertikalaufbau des Randes abgesenkt werden. Insbesondere bei der Anwendung von VLD-Rändern ist diese Maßnahme besonders wirksam, da bei Anlegen der Sperrspannung in diesem Fall die neutrale Zone im Randbereich breiter ist als im Innenbereich des Chips. Sollte bei extrem hohen Stromdichten auch bei dieser Variante noch ein Umklappen des Feldes auftreten, wird diesem dann durch eine anodenseitige Lächerinjektion entgegengesteuert, da in diesem Fall die Breite der neutralen Zone nur noch sehr gering ist.
Es ist bevorzugt, dass in vertikaler Richtung die Ladungsträgerlebensdauer in der p-Emitterschicht oder kurz davor, aber nicht mehr als 1/5 der vertikalen Bauelementausdehung, abgesenkt ist.
In der lateralen Ausdehnung ist bevorzugt, dass die Ladungsträgerlebensdauer in Gebieten unterhalb des Randes und bis zu maximal fünf ambipolaren Diffusionslängen vom Rand in das Zellenfeld begrenzt ist.
Die Ladungsträgerlebensdauer kann beispielsweise mittels Protonen- oder Heliumbestrahlung eingestellt werden.
Eine alternative Möglichkeit, die Bipolarverstärkung im Randbereich zu reduzieren, besteht z. B. darin, eine Protonen- oder eine Heliumbestrahlung auf der Chiprückseite in dem oder vor dem Rückseiten-Emitter durchzuführen, die auf den Randbereich beschränkt bleibt. Die laterale Ausdehnung der Absenkung kann sich dabei vom Rand aus auch noch 1 bis 5 ambipolare Diffusionslängen vom Rand in das Zellenfeld erstrecken. Die vertikale Lage dieser lokalen Absenkung sollte in dem oder relativ flach vor dem rückseitigen p-Emitter zu liegen kommen. Das elektrische Feld sollte bei der nominellen Sperrspannung diese Zone noch nicht erreichen, sondern kurz zuvor in der Feldstoppzone abgebaut sein. Hierdurch wird zum einen die Emittereffizienz im Rand abgesenkt, anderseits ergeben sich keine erhöhten Leckströme, da das Feld nicht in die Rekombinationszonen hineinreicht.
Eine weitere Möglichkeit, die Bipolarverstärkung gezielt im Randbereich zu reduzieren, besteht darin, den Rückseiten-p-Kollektor im Randbereich durch eine Maskierung gar nicht erst zu implantieren.
Durch den stark lokalisierten Avalanche an dem neu geschaffenen vorderseitigen pn-Übergang kann sich bereits eine leicht positiv differentielle Sperrkennlinie des Zellenfeldes ergeben. Vorzugsweise wird der Feldstopp des Bauelements jedoch von seiner Dosis so niedrig ausgelegt, dass die Dosis unterhalb der Durchbruchsladung von Silizium liegt, so dass das elektrische Feld bei der Clamping-Spannung durch den Feldstopp durchgreift, nicht jedoch bereits bei der Zwischenkreisspannung. Der Felddurchgriff senkt zusätzlich die Sperrspannung des Zellenfeldes gegenüber dem Rand ab und legt die Clamping-Spannung teilweise fest. Insbesondere ermöglicht die Löcherinjektion aus dem p-Emitter im Innenbereich des Bauelements einen positiv differentiellen Verlauf der Sperrkennlinie. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Feldstopp mittels Protonenimplantation hergestellt wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1A einen Trench-IGBT gemäß dem Stand der Technik;
1B eine Draufsicht eines Zellenfeldes mit mehreren IGBT-Zellen;
2–4 IEGTs bzw. IGBTs gemäß dem Stand der Technik;
5 während des Schaltvorgangs auftretende Spannungen bei verschiedenen IGBTs;
6 das Sperrverhalten eines erfindungsgemäßen FS-IGBTs;
7–8 Sperrkennlinien des aktiven Bereichs und der Randstruktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements;
9A und 9B schematische Darstellungen eines möglichen Herstellungsprozesses bei der Herstellung erfindungsgemäßer IGBTs;
10 eine schematische Darstellung einer Randstruktur mit maskierter Lebensdauerabsenkung unter dem Rand und schematische Darstellung des erfindungsgemäßen IGBTs; und
11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Randstruktur mit maskierter Aussparung des p-Emitters unter dem Rand bei der Erfindung.
1–8 wurden im einleitenden Teil der Beschreibung und im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement schon näher erläutert.
Wie in 9A dargestellt ist, wird die IGBT-Zelle bis zum Kontaktloch herkömmlicherweise fertig gestellt. Ein Zwischenoxid Zwox ist also im Bereich eines Kontaktlochs zu einer p⁺⁺-dotierten Kontaktschicht 3' der Bodyzone 3 geöffnet. Durch Implantation von Phosphor oder Arsen mit entsprechend hoher Energie wird das n-Gebiet unter das p-Bodygebiet implantiert und mit einem nachfolgenden Temperschritt ausgeheilt.
Wie in 9B dargelegt ist, ergibt sich dadurch ein n-Gebiet 18, das direkt an das p-Bodygebiet 3 angrenzt, jedoch lateral nicht bis zum Trench 5 reicht. Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass dieses n-Gebiet 18 durch eine Protonenimplantation mit nachfolgender Temperung erzeugt wird. Hier wird ebenfalls durch das noch offene Kontaktloch implantiert, allerdings erst, nachdem alle Temperaturbehandlungen oberhalb von etwa 500°C stattgefunden haben. Mit dem thermischen Budget der noch folgenden Metallisierungs- und der Isolierungsschritte mit Polyimid wird dann die dotierende Wirkung der Protonenimplantation hergestellt. Die bevorzugte Variante ist jedoch die Implantation mit Phosphor, da hier gegenüber Arsen niedrigere Implantationsenergien benötigt werden, um die Implantationsreichweite unter das p-Bodygebiet 3 zu legen. Gegenüber der Dotierung mit Protonen bietet die Variante mit Phosphor den Vorteil, dass die Phosphordotierung bei starken thermischen Belastungen, wie im Kurzschlussbetrieb, stabiler ist als die Protonendotierung.
Nachdem der erfindungsgemäße IGBT auf diese Weise erhalten wurde, kann er mit einem VLD-Randkonzept an seinen Rändern konzipiert werden. Alternativ kann auch ein Trench-Rand eingesetzt werden.
Die Zellen werden nahe des Randbereichs bei einem lateralen Abstand von ca. einer ambipolaren Diffusionslänge stillgelegt. Dazu wird die p⁺-Maske bei der Dotierung der Kontaktzone 18 für die Randzellen aufgeweitet. Damit ergibt sich dann eine Kanalstilllegung für diese Zellen. Alternativ können diese Zellen auch durch das Weglassen der Source-Implantation (vgl. 2) stillgelegt werden.
Durch eine justierte Rückseitenfototechnik wird die Implantation der p-Kollektorzone 1 unter dem Rand ausgespart, wie dies in 11 gezeigt ist. Dies führt zu einer erhöhten Randsperrfähigkeit. Alternativ wird durch eine justierte Rückseitenfototechnik nach Fertigstellung einer n-dotierten Feldstoppzone 19 (auch in 11 optional vorgesehen) in der n^–-leitenden Driftzone 2 eine maskierte Protonenimplantation durchgeführt, um so eine Rekombinationszone 20 vor der Kollektorzone 1 unter dem Rand, wie dies in 10 gezeigt ist, zu bilden. Das thermische Budget zur Stabilisierung dieser Implantation sollte unterhalb von 380°C und 2 h liegen.
Der Feldstoppzone 19 des Bauelements wird vorzugsweise mittels Protonenimplantation erzeugt. Die Dosis der aktiven Feldstoppdotierung liegt unterhalb der Durchbruchsladung von Silizium, so dass es, wie oben näher erläutert wurde, zum Felddurchgriff zum p-Kollektor 1 bei der Clamping-Spannung kommen kann.
Bezugszeichenliste

1: Kollektorzone
2: Bodyzone
3: Bodyzone
4: Emitterzone
5: Trench
6: Trench
7: Isolierschicht
8: Gateelektrode
9: Hauptoberfläche
10: Isolierschicht
11: Emitterkontakt
13: Metallisierung
14: zusätzlicher Trench
15: breite Zone
16: Leitschicht
17: Ausbuchtung
18: zusätzliches Gebiet
19: Feldstoppzone
20: Rekombinationszone

Claims

Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate mit – einem ersten Halbleitergebiet (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps (n); – einem zweiten Halbleitergebiet (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps (p), welches auf einer oberen Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets (2) gebildet ist; – einem dritten Halbleitergebiet (4) des ersten Leitfähigkeitstyps (n), welches selektiv in der oberen Oberfläche des zweiten Halbleitergebiets (3) gebildet ist; – einem Graben (5, 6), welcher sich von der Oberfläche des dritten Halbleitergebiets (4) in die Tiefe in das zweite Halbleitergebiet (3) erstreckt; – einer eine Gate-Elektrode (8) im Graben (5, 6) isolierenden dielektrischen Schicht (7), die im Graben vorgesehen ist, vollständig den Boden davon bedeckt und sich bis zu einem Ort erstreckt, welcher höher als die obere Hauptoberfläche des ersten Halbleitergebiets (2) befindlich ist, und – einem vierten Halbleitergebiet (18) des ersten Leitfähigkeitstyps (n), welches in direktem Kontakt mit dem ersten und dem zweiten Halbleitergebiet (2, 3) steht und beabstandet von dem Graben (5, 6) angeordnet sowie zwischen dem ersten Halbleitergebiet (2) und dem zweiten Halbleitergebiet (3) angeordnet ist, wobei – das vierte Halbleitergebiet (18) gebildet ist durch eine Implantation in das erste Halbleitergebiet (2), die selektiv mit einem Abstand im Bereich von 10 bis 200 nm zum Graben (5, 6) durchgeführt wird, und – die Dotierstoffdosis des vierten Halbleitergebiets (18) im Bereich von 1 × 10¹¹ cm^–2 bis weniger als 1 × 10¹² cm^–2 liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halbleitergebiet (3) eine Kontaktschicht (3') aufweist, die stärker mit den Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert ist als das zweite Halbleitergebiet (3).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Graben (5, 6) und dem vierten Halbleitergebiet (18) im Bereich von 10 bis 200 nm und isbesondere dort im Bereich von 50 bis 150 nm liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Graben (5, 6) und dem vierten Halbleitergebiet (18) im Bereich von 100 bis 120 nm liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberfläche des dritten Halbleitergebiets (4) gemessene Eindringtiefe des vierten Halbleitergebiets (18) nicht über der zweifachen Eindringtiefe des Grabens (5, 6) liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberfläche des dritten Halbleitergebiets (4) gemessene Eindringtiefe des Grabens (5, 6) im Bereich von 4 μm bis 8 μm liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberfläche des dritten Halbleitergebiets (4) gemessene Eindringtiefe des vierten Halbleitergebiets (18) im Bereich von 3 μm bis 16 μm liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des vierten Halbleitergebiets (18) im Bereich von 3 μm bis 10 μm liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des ersten Halbleitergebiets (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps (n) eine Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps als Feldstoppschicht (19) angeordnet ist, die höher dotiert ist als das erste Halbleitergebiet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstoppschicht (19) eine Dotierung im Bereich von 1 × 10¹⁴ bis 5 × 10¹⁴ Ladungsträger cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an einer unteren Hauptfläche des ersten Halbleitergebiets (2) eine Schicht (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps (p) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Randstruktur des Halbleiterbauelements eine VLD-Struktur ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 132 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Randgebiet des Halbleiterbauelements zur Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer eine Rekombinationszone (20) vorgesehen ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in zwischen dem ersten und dritten Halbleitergebiet verlaufender vertikaler Richtung des Bauelements die Ladungsträgerlebensdauer in der Schicht (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Bereich, der insgesamt nicht mehr als 1/5 der vertikalen Bauelementausdehnung beträgt, abgesenkt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich mit abgesenkter Ladungsträgerlebensdauer von einem Rand des Halbleiterbauelements bis zu maximal fünf ambipolaren Diffusionslängen in das Zellenfeld erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsträgerlebensdauer mittels Protonen- oder Heliumbestrahlung eingestellt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps in einem Randbereich des Halbleiterbauelements nicht vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Halbleitergebiet (18) unterhalb des zweiten Halbleitergebiets (3) mittels Ionenimplantation durch ein Kontaktloch zur Kontaktierung des zweiten Halbleitergebiets (3) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenimplantation mit Phosphor- oder Arsenionen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenimplantation mit Phosphorionen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückseite des Halbleiterbauelements vor Herstellung einer Schicht (1) des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Protonen- oder mit einer Heliumbestrahlung behandelt wird.