DE102005061294B4

DE102005061294B4 - NPT-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder IGBTs

Info

Publication number: DE102005061294B4
Application number: DE102005061294A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Anton Dr. Mauder; Manfred Pfaffenlehner; Roman Dr. Roth
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: DE102005061294A1

Abstract

NPT-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder eines IGBTs mit
– einer Driftzone (9) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;
– einer auf der einen Seite der Driftzone (9) ausgebildeten und an die Driftzone (9) angrenzenden weiteren Halbleiterzone (3, 11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegen gesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die weitere Halbleiterzone (3, 11) eine höhere maximale Dotierstoffkonzentration als die Driftzone (9) aufweist und an eine Kontaktebene angeschlossen ist;
– einer auf der anderen, zur einen Seite gegenüberliegenden Seite der Driftzone (9) ausgebildeten Rückseitenzone (10);
– einem bei Anliegen einer statischen Druchbruchspannung des NPT-Halbleiterbauelements zwischen Kontaktebene und Rückseitenzone (10) verbleibenden neutralen Driftzonengebiet (14), das zwischen einem innerhalb der Driftzone (9) ausgebildeten Teil einer Raumladungszone (RLZ) und der Rückseitenzone (10) angeordnet ist, wobei:
– innerhalb des neutralen Driftzonengebiets (14) eine Kompensationszone (15) eingebettet ist, die vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Driftzone (9) ist und eine im Vergleich...

Description

Die Erfindung betrifft ein NPT-(Non-Punch-Through)-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder eines IGBTs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Entwicklung von Leistungshalbleiterbauelementen zielt auf die Reduzierung elektrischer Verluste etwa durch Verkürzung des Tail-Stroms beim Abschalten des Durchlassstroms oder auf die Minimierung der Durchlass-Spannung sowie die Erhöhung der Robustheit des Halbleiterbauelements ab.
Kommerziell erhältliche Bauelemente beruhen derzeit im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Bauelementkonzepten. Diese sind als PT(Punch-Through)- und NPT-Halbleiterbauelemente bekannt und unterscheiden sich unter anderem in der Ausdehnung einer Raumladungszone innerhalb einer Driftzone bei Sperrbetrieb sowie der Effizienz einer Rückseitenemitterzone.
Ein PT-IGBT (Punch Through-Insulated Gate Bipolar Transistor) weist im Betrieb bei anliegender maximaler Sperrspannung eine sich über eine gesamte Dicke einer Driftzone erstreckende Raumladungszone aus. Ein elektrisches Feld verläuft ausgehend von einer Bodyzone trapezförmig und fällt erst in einem an die Driftzone angrenzenden hoch dotierten Puffergebiet, das vom selben Leitungstyp wie die Driftzone ist, auf Null ab. Die Driftzone ist damit vollständig an freien Ladungsträgern verarmt. Aufgrund dieses Feldverlaufs kann die Driftzone dünn gehalten werden, was zu einem geringen ohmschen Spannungsabfall im Durchlassbetrieb und damit zu geringen Durchlass-Spannungen führt. Da das PT-Halbleiterbauelement im Allgemeinen eine hohe Effizienz der Rückseitenemitterzone aufweist, liegen im eingeschalteten Zustand hohe Konzentrationen von Elektronen und Löchern vor, die beim Ausschalten jedoch einen großen und lange andauernden Tail-Strom mit sich bringen. Um die Rekombinationsphase dieser Überschussladungsträger zu beschleunigen bzw. eine geringere Elektronen- und Löcherüberschusskonzentration vor dem Ausschalten sicherzustellen, werden beispielsweise gezielt Rekombinationszentren eingebracht, was jedoch andererseits wieder den Nachteil höherer Durchlassverluste mit sich bringt.
Im Gegensatz zum PT-Konzept weist ein NPT-Halbleiterbauelement im Allgemeinen eine Rückseitenemitterzone mit vergleichsweise schwacher Effizienz auf. Infolgedessen wird die Driftzone im eingeschalteten Zustand weniger stark mit Überschussladungsträgern überschwemmt, so dass die Ausschaltverluste reduziert werden können. Der Verlauf des elektrischen Feldes im NPT-Halbleiterbauelement unterscheidet sich jedoch wesentlich von demjenigen eines PT-Halbleiterbauelements. Im NPT-Halbleiterbauelement verläuft das elektrische Feld bei maximalem Sperrbetrieb dreieckförmig, so dass das elektrische Feld der Raumladungszone innerhalb der Driftzone auf null abfällt und ein neutrales Driftzonengebiet zwischen dem Ende der Raumladungszone und der Rückseitenemitterzone innerhalb der Driftzone verbleibt. Aufgrund des vollständigen Feldabbaus innerhalb der Driftzone weisen NPT-Halbleiterbauelemente Driftzonen mit einer größeren Dicke im Vergleich zu PT-Halbleiterbauelementen auf. Dies bringt den Nachteil von höheren Durchlassverlusten mit sich.
Ein wesentliches Qualitätsmerkmal eines NPT-Leistungshalbleiterbauelements stellt dessen dynamische Robustheit dar. Hierbei sollen etwa das Überstromabschaltvermögen und die Kurzschlussfestigkeit von NPT-IGBTs oder auch die Abschaltrobustheit von NPT-Dioden verbessert werden. Insbesondere bietet das NPT-Konzept im Vergleich zu Feldstop-Konzepten Vorteile beim sanften Abschalten, d. h. bei Kommutierung reißt der Strom in Rückwärtsrichtung nicht scharf ab, sondern die ser läuft sanft aus und vermeidet dadurch induzierte Spannungsspitzen und Oszillationen. Ein derartiges Verhalten ist einerseits insbesondere bei hohen Nennströmen bzw. hohen Streuinduktivitäten bezogen auf den abzuschaltenden Strom wünschenswert. Andererseits bringt dieser Vorteil jedoch höhere Schaltverluste mit sich.
Zur Verbesserung der dynamischen Robustheit von NPT-Halbleiterbauelementen wie beispielsweise IGBTs oder Dioden werden in bekannter Weise abzuschaltende Stromdichten bzw. Steilheiten beim Abschalten oder Abkommutieren des Halbleiterbauelements begrenzt, was einerseits das Betriebsfenster des Leistungsschalters einschränkt und andererseits zur Erhöhung der Schaltverluste beiträgt. Zudem weisen insbesondere Hochvolt-NPT-IGBTs Nachteile hinsichtlich ihrer Leckströme, insbesondere von Warm-Leckströmen auf, welche erheblich von Schwankungen der Dotierstoffkonzentration des Grundmaterials sowie dessen Dicke abhängen. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken und die Sperrströme auf einem tolerierbaren Maß zu halten, muss die Dicke der NPT-Halbleiterbauelemente überdimensioniert werden, was wiederum zu erhöhten Durchlass- sowie Schaltverlusten führt.
Im Einzelnen ist ein gattungsgemäßes NPT-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art aus der US 6 384 431 B1 bekannt. Weiterhin ist aus der DE 43 26 052 A1 ein IGBT bekannt, bei dem eine n⁺-leitende Pufferschicht bei Anliegen der statischen Durchbruchspannung sich auch außerhalb des zentralen Driftzonengebiets erstreckt. Die statische Durchbruchspannung ist dabei höher als ca. 600 V.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herstellbares NPT-Halbleiterbauelement mit verbesserter dynamischer Robustheit anzugeben.
Die Aufgabe wird bei einem NPT-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Driftzone eine räumlich konstante Dotierstoffkonzentration hat, Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 definiert.
Die Kompensationszone dient dazu, beim Abschalten des NPT-Halbleiterbauelements in diesem Bereich fließende Ladungsträger vom ersten Leitfähigkeitstyp, insbesondere deren Ladung, wenigstens teilweise zu kompensieren. Damit lassen sich stark erhöhte Konzentrationen von Ladungsträgern vom ersten Leitfähigkeitstyp zumindest teilweise durch eine zur Rückseitenemitterzone (bzw. Rückseitenzone) angehobene Dotierstoffkonzentration kompensieren, wodurch vom NPT-Halbleiterbauelementtyp abhängige unerwünschte Auswirkungen wie reduzierte Sperrfähigkeit des NPT-Bauelements aufgrund eines Felddurchgriffs zur Rückseitenemitterzone und damit erhöhte Injektion von der Rückseite aus (dies gilt insbesondere für einen IGBT) oder verstärkte Neigung zu Stromfilamentierungen aufgrund von durch Feldspitzen am Übergang von der Driftzone zur Rückseitenemitterzone hervorgerufenen zusätzlichen Avalanche-Strömen entgegengewirkt wird (dies gilt insbesondere für eine Diode, auf die sich die vorliegende Erfindung aber nicht bezieht).
Die Raumladungszone bildet sich bei Anliegen der maximalen Sperrspannung innerhalb der weiteren Halbleiterzone und dem vom neutralen Driftzonengebiet verschiedenen Teil der Driftzone aus. Innerhalb des neutralen Driftzonengebietes ist das elektrische Feld bei Anliegen der maximalen Sperrspannung zumindest annähernd null. In der neutralen Zone verursachen lediglich Ladungsträger, die z. B. durch Generation in den Hochfeldzonen entstehen, einen Bahnspannungsabfall und somit ein elektrisches Feld. Die maximale Sperrspannung kennzeichnet hier eine statische Durchbruchspannung.
Die Driftzone kann beispielsweise als epitaktisch aufgebrachte Schicht realisiert sein. Bei der Rückseitenemitterzone kann es sich beispielsweise um ein vorzugsweise hochdotiertes Halbleitersubstrat wie einen Halbleiterwafer, d. h. eine Halbleiterscheibe handeln. Die weitere Halbleiterzone kann beispielsweise durch Implantation von Dotierstoffelementen als Wannenzone innerhalb der vorhergehend erzeugten Driftzone hergestellt werden. Ebenso ist es denkbar, die weitere Halbleiterzone aus einem auf eine Oberfläche der Driftzone aufgebrachten dotierten Glas, etwa einem Borsilikatglas zur Erzielung einer Leitfähigkeit vom p-Typ oder einem Phosphorsilikatglas zur Erzielung einer Leitfähigkeit vom n-Typ, durch Diffusion der Dotierstoffe aus dem Silikatglas in die Driftzone mit einem Temperaturschritt auszubilden.
Zur Erzeugung der Kompensationszone ist es beispielsweise möglich, die Dotierstoffe der Kompensationszone zunächst vor Erzeugen der Driftzone in das beispielsweise als Rückseitenemitterzone dienende Halbleitersubstrat zu implantieren. Eine Diffusion dieser Dotierstoffe in die Driftzone und damit das Ausbilden der Kompensationszone kann beispielsweise thermisch bedingt beim Aufwachsen der Driftzone oder auch durch einen oder mehrere weitere Temperaturschritte nach dem Erzeugen der Driftzone erfolgen. Alternativ besteht der Halbleiterwafer aus einem homogenen Substrat, in dessen vorderseitigem Bereich eine Zellstruktur oder ein Anodengebiet erzeugt worden sind. Das Substrat bildet die Driftzone und wird vor oder nach dem Einbringen der Dotierstoffe der Kompensationszone vorzugsweise durch Ionenimplantation und/oder Diffusion auf eine Zieldicke gedünnt. Der rückseitige Emitter wird hier ebenfalls vorzugsweise durch Ionenimplantation mit einer nachfolgenden Temperung hergestellt. Ebenso ist es denkbar, die Kompensationszone als einen ersten Teil der Driftzone auf das Halbleitersubstrat epitaktisch aufzutragen und daraufhin den weiteren Teil der Driftzone, in welchem sich beispiels weise die Raumladungszone bei Sperrbetrieb ausbildet und der schwach dotiert ist, als weitere Epitaxieschicht auf die Kompensationszone aufzubringen. Die Kompensationszone kann aber auch durch eine rückseitige Ionenimplantation in eine – bei Bedarf vorher gedünnte – Halbleiterscheibe in Verbindung mit einem Ausheilschritt bzw. Diffusionsschritt erzeugt werden.
Der erste Leitfähigkeitstyp kann als n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp kann als p-Typ gewählt sein. Ebenso ist es jedoch denkbar, den ersten Leitfähigkeitstyp als p-Typ und den zweiten Leitfähigkeitstyp als n-Typ auszubilden.
Die Kompensationszone kann aber auch durch die n-dotierende Wirkung einer oder mehrerer (d. h. insbesondere bei mehreren Implantationsenergien durchgeführter) Wasserstoff-Implantationen in Verbindung mit einer Temperaturbehandlung, die im Temperaturbereich zwischen 250°C und 550°C über einige 10 Minuten bis mehrere Stunden durchgeführt wird, erzeugt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationszone als Dotierstoff Phosphor und/oder Selen auf. In diesem Falle ist sowohl die Drift- als auch die Kompensationszone als n-Typ ausgebildet.
In vorteilhafter Weise weist die Kompensationszone eine Dicke im Bereich von 1% bis 25% der Dicke der Driftzone auf. Da die Dicke der Driftzone ein Maß für die Sperrfestigkeit des NPT-Halbleiterbauelements darstellt, bietet eine Abstimmung der Dicke der Kompensationszone in Relation zur Dicke der Driftzone die Möglichkeit, die teilweise Kompensation erhöhter Ladungsträgerdichten zur Rückseitenemitterzone hin optimal auf die Sperrfestigkeit des NPT-Halbleiterbauelements abzustimmen. Somit lässt sich das sich zum Rückseitenemitter hin beim Abschalten ausbildende elektrische Feld kontrollie ren. Allgemein führt eine Vergrößerung der Dicke der Kompensationszone zu einer verstärkten Abschwächung des elektrischen Feldes zur Rückseitenemitterzone hin bzw. im Bereich der Rückseitenemitterzone.
Bevorzugt nimmt die Dicke der Kompensationszone Werte im Bereich von 3 μm bis 20 μm an. Innerhalb dieses Wertebereichs lässt sich eine erhöhte Ladungsträgerkonzentration zur Rückseitenemitterzone hin in Hochvolt-NPT-Halbleiterbauelementen auf vorteilhafte Weise kompensieren, um einem Felddurchgriff zur Rückseitenemitterzone hin bzw. einer Feldspitze am Übergang von der Driftzone zur Emitterzone entgegenzuwirken.
In vorteilhafter Weise lässt die Kompensationszone die statische Durchbruchsspannung des NPT-Halbleiterbauelements konstant. Bei statischem Durchbruch wird die Driftzone von der weiteren Halbleiterzone aus in Richtung zur Kompensationszone von freien Ladungsträgern ausgeräumt, wodurch sich eine Raumladungszone ausbildet. Bei Einsatz des elektrischen Durchbruchs hat sich die Raumladungszone jedoch noch nicht bis zur Kompensationszone ausgedehnt, so dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Kompensationszone keinen Einfluss auf den Feldverlauf im statischen Durchbruch und damit auch keinen Einfluss auf die statische Durchbruchspannung selbst nimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das NPT-Halbleiterbauelement ein MOSFET, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone darstellt. Im Fall einer NPT-Diode, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dient die Kompensationszone insbesondere zur Abschwächung oder Unterdrückung von elektrischen Feldspitzen am Übergang zwischen Driftzone und Rückseitenemitterzone. Dadurch lässt sich ein zusätzlicher Avalanchestrom in diesem Bereich vermeiden. Dies führt zur Verbesserung der dynamischen Robustheit der NPT-Diode, da ein so genannter dynamischer Avalanche der dritten Art, bei welchem Avalanchegeneration nicht nur am Übergang zwischen Vorderseitenemitterzone und Driftzone, sondern auch am gegenüberliegenden Übergang der Driftzone zur Rückseitenemitterzone auftritt und der eine Zerstörung des Bauelements mit sich bringt, unterdrückt oder reduziert werden kann. Das Bereitstellen der Kompensationszone wirkt ebenso der Ausbildung von Stromfilamentierungen entgegen, welche sich bei der NPT-Diode durch das sich an der Rückseitenemitterzone aufbauende elektrische Feld insbesondere im Wechselspiel mit Feldmaxima im Bereich der Vorderseitenemitterzone verstärkt ausbilden.
Die Rückseitenemitterzone vom ersten Leitfähigkeitstyp stimmt dann mit dem Leitfähigkeitstyp der Drift- bzw. Kompensationszone überein. Das NPT-Halbleiterbauelement ist demnach beispielsweise als NPT-Diode, etwa als p⁺/n^–/n/n⁺-Diode ausgebildet, wobei n repräsentativ für die Kompensationszone ist und n^– einen schwach dotierten Bereich der Driftzone darstellt.
Im Falle einer NPT-Diode ist die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone insbesondere kleiner als einige 10¹⁶ cm^–3, besonders bevorzugt kleiner als 10¹⁵ cm^–3. Mit einer derartigen maximalen Dotierstoffkonzentration lässt sich im Falle einer p⁺/n^–/n/n⁺-Diode die Ladung einer stark erhöhten Elektronenkonzentration zur Rückseitenemitterzone hin durch die im Vergleich zum schwach dotierten Bereich der Driftzone angehobene Dotierstoffkonzentration der Kompensationszone zumindest teilweise kompensieren. Ebenso wird berücksichtigt, dass die Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone nicht zu hoch gewählt werden darf, da ansonsten dynamisch ein Maximum des elektrischen Feldes nicht mehr am Übergang zwischen Kompensationszone und Rückseitenemitterzone, d. h. am n/n⁺-Übergang auftritt, sondern bereits an einem hierzu vorgelagerten n^–/n-Übergang innerhalb der Driftzone, wodurch die Kompensationszone ihre Wirkung als das elektri sche Feld unterdrückende Zone nicht mehr voll entfalten kann, insbesondere wenn der Gradient des elektrischen Feldes in der Kompensationszone zu hoch ist. Die Dotierstoffkonzentration kann in der Kompensationszone näherungsweise konstant sein, sollte aber vorzugsweise einen gewissen Gradienten aufweisen, um über einen breiten Bereich von Stromdichten wirksam zu sein.
Bei einer Ausführungsform ist das NPT-Halbleiterbauelement ein IGBT, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone ausbildet und die Rückseitenemitterzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist. Die Kompensationszone in einem NPT-IGBT ermöglicht neben der teilweisen Kompensation der Ladung von Überschussladungsträgern vom ersten Leitfähigkeitstyp vor der Rückseitenemitterzone ebenso eine Verbesserung hinsichtlich des Warm-Sperrstroms, der insbesondere bei Hochvolt-NPT-IGBTs vergleichsweise hohe Werte annehmen kann, als auch eine Verbesserung eines Prozessfensters hinsichtlich sowohl einer Grundmaterial-Dotierung des beispielsweise als hochdotierte Siliziumscheibe ausgebildeten Rückseitenemitters als auch der Dicke der beispielsweise epitaktisch hergestellten oder durch das Substratmaterial gebildeten Driftzone.
Die Verbesserung dieses Prozessfensters durch die Kompensationszone lässt sich bei Betrachtung eines NPT-IGBTs verstehen, bei dem das Grundmaterial und damit die Rückseitenemitterzone an einer oberen Grenze einer Spezifikation der Dotierstoffkonzentration und die Dicke der Epitaxieschicht bzw. die resultierende Substratdicke und damit die Driftzone an einer unteren Grenze der Spezifikation dieser Dicke liegen. In diesem Fall nähert sich das elektrische Feld sehr nahe der Rückseitenemitterzone. Ein im Falle einer Driftzone vom n-Leitfähigkeitstyp im Sperrbetrieb generierter Elektronenstrom führt aufgrund des kleineren neutralen Driftzonengebiets zu einer kleineren neutralen Basisweite bzw. eines kleineren Transportfaktors und damit zu einer stärkeren Löcherinjekti on, d. h. zu einem erhöhten Sperrstrom. Mit zunehmenden Temperaturen tritt dieser Effekt aufgrund der Zunahme der Trägerlebensdauer von freien Ladungsträgern und der intrinsischen Ladungsträgergeneration besonders in der Raumladungszone verstärkt in Erscheinung. Die Kompensationszone wirkt dieser Verringerung der neutralen Basisweite bzw. des Transportfaktors durch ihre im Vergleich zur Driftzone größere maximale Dotierstoffkonzentration entgegen.
Bei einem als IGBT ausgebildeten NPT-Halbleiterbauelement nimmt die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone vorzugsweise Werte im Bereich von 10¹⁵ cm^–3 bis 10¹⁷ cm^–3 an. Dadurch wird berücksichtigt, dass die maximale Dotierstoffkonzentration innerhalb der Kompensationszone nicht zu hoch wird, um eine Verschlechterung der Kurzschluss-Robustheit des IGBTs zu vermeiden, da ein weiterer Felddurchgriff zur dynamischen Aufrechterhaltung der Sperrfähigkeit des NPT-Halbleiterbauelements erforderlich ist.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen ersichtlich:
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen planaren NPT-IGBTs;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen NPT-Diode;
3 zeigt Verläufe eines elektrischen Feldes sowie ein Überschussladungsträgerprofil während des Abschaltvorgangs eines herkömmlichen NPT-Halbleiterbauelements;
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines NPT-IGBTs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer NPT-Diode; und
6 zeigt Verläufe des elektrischen Feldes sowie ein Überschussladungsträgerprofil während des Abschaltens eines erfindungsgemäßen NPT-Halbleiterbauelements.
In 1A) ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsansicht eines herkömmlichen NPT-IGBTs mit planarem Zellenaufbau dargestellt. Alternativ kann der NPT-IGBT auch Trench-Gates (d. h. Graben-Gates) aufweisen. Im Folgenden werden die Bezeichnungen n^–, n, n⁺ als auch p^–, p, p⁺ zur Kennzeichnung einer schwachen, moderaten und hohen Dotierstoffkonzentration vom n- bzw. p-Leitfähigkeitsfähigkeitstyp verwendet. Die moderate Dotierstoffkonzentration kann etwa im Bereich einige 10¹⁶ cm^–3 bis einige 10¹⁷ cm^–3 liegen oder auch in einem nach oben und unten um etwa eine Größenordnung größeren Bereich. Die schwache Dotierstoffkonzentration liegt unterhalb des Bereichs der moderaten Dotierstoffkonzentration und die hohe Dotierstoffkonzentration entsprechend oberhalb des Bereichs der moderaten Dotierstoffkonzentration.
Der herkömmliche NPT-IGBT weist eine an eine Oberfläche 1 eines Halbleiterkörpers 2 angrenzende Bodyzone 3 vom p-Leitfähigkeitstyp auf. Innerhalb der Bodyzone 3 sind hochdotierte Sourcezonen 4 vom n-Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Sowohl die Sourcezonen 4 als auch die Bodyzone 3 sind an eine metallische Kontakt- und Verdrahtungsebene 5 angeschlossen. Gateelektrodenstrukturen 6 zur Steuerung einer Kanalleitfähigkeit an der Oberfläche 1 sind vom Halbleiterkörper 2 und dem Bodygebiet 3 durch eine Gateisolationsstruktur 7 elekt risch isoliert. Eine weitere Isolationsstruktur 8 isoliert die Gateelektrodenstruktur 6 elektrisch gegenüber der metallischen Kontakt- und Verdrahtungsebene 5.
Innerhalb des Halbleiterkörpers 2 grenzt die Bodyzone 3 an eine schwach dotierte Driftzone 9 vom n-Leitfähigkeitstyp an. Die Driftzone 9 grenzt nun ihrerseits an der zur Oberfläche 1 gegenüberliegenden Seite an eine Rückseitenemitterzone 10 vom p-Leitfähigkeitstyp an.
Der Verlauf des elektrischen Feldes E dieses herkömmlichen NPT-IGBTs bei Einsatz eines statischen Durchbruchs ist mit Bezug zur Querschnittsansicht rechts derselbigen skizziert. Aufgetragen ist das elektrische Feld E über einer Tiefe z des Bauelements. Eine Raumladungszone RLZ baut sich in der Bodyzone 3 und der Driftzone 9 auf. Ein Maximum der elektrischen Feldstärke E liegt am Übergang dieser beiden Gebiete. Das elektrische Feld E fällt nun einerseits innerhalb der Bodyzone 3 auf null ab, andererseits jedoch auch innerhalb der Driftzone 9. Die Raumladungszone dieses NPT-Halbleiterbauelements erstreckt sich demnach nicht vollständig durch die Driftzone 9 hindurch, weshalb dieses Bauelement definitionsgemäß als Non-Punch-Through-Bauelement bezeichnet wird.
Einen schematischen Überblick über das Profil einer Dotierstoffkonzentration N entlang einer Schnittlinie A-A' in der Querschnittsansicht des NPT-IGBTs in 1A) ist vereinfacht in 1B) dargestellt. Ausgehend vom Punkt A der Schnittlinie A-A' fällt die Dotierstoffkonzentration der Bodyzone 3 mit zunehmender Tiefe in den Halbleiterkörper 2 ab. Derartige nicht rechteckförmige, sondern kontinuierlich ansteigende oder abfallende Konzentrationsverläufe ergeben sich naturgemäß durch den Herstellungsprozess derartiger Halbleiterzonen, etwa bei thermisch bedingter Diffusion von Dotierstoffatomen. Die Bodyzone 3 geht mit zunehmender Tiefe z in die Driftzone 9 mit konstanter Dotierstoffkonzentration über. Die Driftzone 9 ist beispielsweise als schwach dotierte Epitaxieschicht oder als Halbleiter-Substratmaterial mit niedriger Dotierstoffkonzentration ausgebildet und dient dem NPT-Halbleiterbauelement zur Aufnahme von Sperrspannung. Die Driftzone ist demnach als schwach dotierter Bereich 13 ausgebildet. Mit weiter zunehmender Tiefe z grenzt die schwach dotierte Driftzone 9 an die Rückseitenemitterzone 10 an, die ein mit noch weiter zunehmender Tiefe z bis zu einer maximalen Dotierstoffkonzentration ansteigendes Dotierstoffprofil aufweist. Die Rückseitenemitterzone 10 kann beispielsweise als dotierte Halbleiterscheibe bereitgestellt werden, auf welche die Driftzone 9 epitaktisch abgeschieden wird oder durch Einbringen von Dotierstoffatomen beispielsweise mittels Ionenimplantation erzeugt wird. Das dargestellte Dotierstoffprofil der Rückseitenemitterzone 10 ergibt sich durch thermisch bedingte Diffusion von Dotierstoffen aus der Rückseitenemitterzone 10 in die Driftzone 9 hinein bzw. durch die Ionenimplantation und die nachfolgenden Temperaturschritte.
In 2A) ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsansicht einer herkömmlichen NPT-Diode gezeigt. An die Oberfläche 1 des Halbleiterkörpers 2 grenzt eine Vorderseitenemitterzone bzw. Anode 11 vom p-Leitfähigkeitstyp an. Die Vorderseitenemitterzone 11 ist mit der metallischen Kontakt- und Verdrahtungsebene 5 elektrisch verbunden. In die Tiefe des Halbleiterbauelements grenzt die Vorderseitenemitterzone 11 an die schwach dotierte Driftzone 9 an, die ihrerseits auf der der Oberfläche 1 gegenüberliegenden Seite an die Rückseitenemitterzone 10 vom n-Leitfähigkeitstyp angrenzt. Der Verlauf des elektrischen Feldes dieses NPT-Halbleiterbauelements bei Einsatz des statischen Durchbruchs ist rechts neben der Querschnittsansicht schematisch mit Bezug zum Profil der NPT-Diode dargestellt. Wie schon beim bekannten NPT-IGBT aus 1 wird die schwach dotierte Driftzone 9 nicht vollständig an freien Ladungsträgern verarmt, d. h. die Raumladungszone RLZ dehnt sich nicht vollständig durch die Driftzone 9 bis zur Rückseitenemitterzone 10 aus. Somit weist die NPT-Diode wie auch der in 1 dargestellte NPT-IGBT keine im Vergleich zur schwach dotierten Driftzone 9 hoch dotierte Feldstopzone auf, wie dies bei PT-Bauelementen üblich ist.
In 2B) ist ein Dotierstoffkonzentrationsprofil entlang der Schnittlinie A-A' der Querschnittsansicht aus 2A) schematisch gezeigt. Wie schon im Zusammenhang mit der Querschnittsansicht in 1 erläutert, rührt das Dotierstoffkonzentrationsprofil der Rückseitenemitterzone 10 und ebenso dasjenige der Vorderseitenemitterzone 11 von thermisch bedingter Diffusion entsprechender Dotierstoffatome her, beispielsweise von in den Halbleiterkörper 2 implantierten Dotierstoffen der Vorderseitenemitterzone 11 oder von Dotierstoffen einer als dotierte Halbleiterscheibe oder durch Ionenimplantation bereitgestellten Rückseitenemitterzone 10.
In 3 sind schematische Verläufe des elektrischen Feldes E entlang von in den 1 und 2 gezeigten Schnittlinien B-B' eines sich im Abschaltvorgang befindenden NPT-Halbleiterbauelements bei verschiedenen y-Koordinaten y1 und y2 gezeigt. Die Koordinaten y1 und y2 sind beispielhaft gewählt und dienen lediglich der Erläuterung verschiedener Feldverläufe in die Tiefe z in Abhängigkeit vom Ort y. Dargestellt ist lediglich der Feldverlauf innerhalb der Driftzone 9. Das Ausräumen der Raumladungszone bei der y-Koordinate y1 ist so weit vorangeschritten, dass sich eine Überschussladungsträgeransammlung von Elektronen und Löchern, ein sog. Elektron-Loch-Plasma 12 lediglich noch lokal vor der Rückseitenemitterzone 10 (nicht dargestellt) befindet. Bei dem Elektron-Loch-Plasma 12 handelt es sich um verbliebene Überschussladungsträger aus dem Durchlassbetrieb des NPT-Halbleiterbauelements. Bei der y-Koordinate y2 ist diese Überschussladungsträgeransammlung bereits ausgeräumt. Ursächlich für die von der y-Koordinate abhängige Feldverteilung können beispielsweise Inhomogenitäten innerhalb des Bauelements sein. Ohne Inhomogenitäten lässt sich eine Feldverteilung wie bei y2 auch homogen am Bauelement durch eine entsprechend hohe Stromdichte und hohe Spannung beim Schaltvorgang bewerkstelligen. Da am Halbleiterbauelement an den Koordinaten y1 und y2 dieselbe Spannung zwischen Vorder- und Rückseite anliegt sind die Flächen unter den zugehörigen Verläufen des elektrischen Feldes E jedoch gleich. Da bei der Koordinate y2 mit bereits abgebautem Elektron-Loch-Plasma 12 jedoch zur Vorderseite (in Richtung der Oberfläche 1) hin eine im Vergleich zur Koordinate y1 höhere elektrische Feldstärke vorliegt, ist in diesem Bereich mit dynamischem Avalanche, d. h. Ladungsträgergeneration zu rechnen. Nachteilig wirkt sich aus, dass an eben dieser Koordinate y2 das elektrische Feld nahe zur Rückseitenemitterzone 10 reicht. Eine zur Rückseitenemitterzone 10 zugehörige neutrale Basisweite w1, die durch die Weite eines neutralen Driftzonengebiets gegeben ist, ist demnach gering, was bei IGBTs zu einer hohen Rückseitenemittereffizienz führt. Injiziert die Rückseitenemitterzone 10 des IGBTs aufgrund der an der Vorderseite durch Avalanchegeneration erzeugten und über die Rückseitenemitterzone abfließenden Elektronen verstärkt Löcher, so erzeugen diese Löcher wiederum an der Vorderseite weitere Elektronen und dieser wechselseitige Prozess kann eine schädliche Stromfilamentierung mit sich bringen, worunter die dynamische Robustheit des Bauelements leidet.
In 4A) ist ein Auschnitt einer schematischen Querschnittsansicht eines NPT-IGBTs als Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NPT-Halbleiterbauelements dargestellt. Das Halbleiterbauelement in 4A) weist mit dem in 1 gezeigten NPT-IGBT durch gemeinsame Referenzzeichen gekennzeichnete Bereiche wie etwa die Bodyzone 3 oder die Gateelektrodenstruktur 6 auf. Im Gegensatz zum bekannten NPT-IGBT aus 1 geht die Rückseitenemitterzone 10 jedoch nicht direkt in den schwach dotierten Bereich 13 der Driftzone 9 über, sondern diese grenzt an eine in einem neutralen Driftzonengebiet 14 ausgebildete Kompensationszone 15 an. Die Kompensationszone 15 ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie der schwach dotierte Bereich 13, jedoch vergleichsweise höher dotiert. Die Driftzone 9 weist somit im Gegensatz zu einem herkömmlichen NPT-IGBT zur Rückseitenemitterzone 10 hin eine Kompensationszone 15 auf. Im rechts zur Querschnittsansicht schematisch dargestellten Verlauf des elektrischen Feldes bei Einsatz des statischen Durchbruchs fällt das elektrische Feld innerhalb des schwach dotierten Bereichs 13 der Driftzone 9 auf null ab. Von der Tiefe des auf null abgefallenen elektrischen Feldes bis zur Rückseitenemitterzone 10 hin erstreckt sich das neutrale Driftzonengebiet 14, innerhalb dem die Kompensationszone 15 liegt.
In 4B) ist schematisch ein Dotierstoffkonzentrationsprofil entlang der in der Querschnittsansicht in 4A) verlaufenden Schnittlinie A-A' gezeigt. Zu erkennen ist die zwischen dem schwach dotierten Bereich 13 der Driftzone 9 und der Rückseitenemitterzone 10 gelegene Kompensationszone 15.
In 5A) ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsansicht einer nicht zur Erfindung gehörenden NPT-Diode dargestellt. Die NPT-Diode in 5A) weist mit der in 2A) gezeigten NPT-Diode durch gemeinsame Referenzzeichen gekennzeichnete Bereiche wie etwa die Vorderseitenzone 11 auf. Im Gegensatz zur NPT-Diode aus 2A) geht die Rückseitenemitterzone 10 jedoch nicht direkt in den schwach dotierten Bereich 13 der Driftzone 9 über, sondern diese grenzt wie auch bei der ersten Ausführungsform des NPT-IGBTs in 4A) an eine in einem neutralen Driftzonengebiet 14 ausgebildete Kompensationszone 15 an. Hinsichtlich des rechts zur Querschnittsansicht skizzierten Verlaufs des elektrischen Feldes E als auch des Dotierstoffkonzentrationsverlaufs in 5B) wird auf die Beschreibung der 4A) und 4B) weiter oben verwiesen.
Die Kompensationszonen 15 der Bauelemente der 4 und 5 dienen zur Lösung einer selben Aufgabe, nämlich der Erhöhung der dynamischen Robustheit des Bauelements durch Abschwächung eines Felddurchgriffs beim Abschalten des NPT-Bauelements und damit beim IGBT zur Abschwächung der Effizienz der Rückseitenemitterzone und bei der Diode insbesondere zu einem weicheren Abschalten und zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Feldstärkespitzen im Bereich des rückseitigen Emitters. Die Kompensationszonen können sich jedoch beispielsweise hinsichtlich maximaler Dotierstoffkonzentration, Dotierstoffelement und Dicke abhängig vom gewählten NPT-Bauelementtyp, etwa NPT-Diode oder NPT-IGBT, unterscheiden.
Zur Erläuterung der durch die Kompensationszone 15 der NPT-Bauelemente der 4 und 5 erzielbaren Vorteile gegenüber herkömmlichen in 1A) und 2B) gezeigten NPT-Bauelementen wird die 6 in Zusammenhang mit der 3 und deren Figurenbeschreibung betrachtet. Ebenso wie in 3 sind in 6 schematische Verläufe des elektrischen Feldes entlang der Schnittlinen B-B' der im Abschaltvorgang betriebenen und in 3 und 4 gezeigten NPT-Halbleiterbauelemente beispielhaft bei verschiedenen y-Koordinaten y1 und y2 gezeigt. Der Einfluss der Kompensationszone 15 auf die Bauelementeigenschaften beim Abschaltvorgang wird insbesondere bei Betrachtung des Tiefenprofils des elektrischen Feldes bei der y-Koordinate y2 ersichtlich. Das elektrische Feld dehnt sich im NPT-Halbleiterbauelement mit Kompensationszone 15 nicht so stark in die Driftzone 9 hinein aus wie dies beim Feldverlauf eines herkömmlichen NPT-Bauelements in 3 der Fall ist. Mit anderen Worten weist ein NPT-Halbleiterbauelement mit Kompensationszone eine größere neutrale Basisweite w2 auf im Vergleich zur neutralen Basisweite w1 eines herkömmlichen NPT-Bauelements unter Annahme eines zur Koordinate y2 zugehörigen Abschaltzustandes. Dies rührt daher, dass die Kompensationszone 15 mit ihrer durch ionisierte Dotierstoffatome hervorgerufenen Ladung zu einer stärkeren Abschwächung des elektrischen Feldes führt als dies der schwach dotierte Bereich 13 der Driftzone 9 vermag. Eine größere neutrale Basisweite führt jedoch bei IGBTs zu einer Reduzierung der Emittereffizienz der Rückseitenemitterzone 10, so dass ein auf der Vorderseite generierter Elektronenstrom bei Abfluss über die Rückseitenemitterzone 10 eine geringere Löcherinjektion mit sich bringt. Eine geringere Löcherinjektion von IGBTs über die Rückseitenemitterzone 10 führt jedoch ihrerseits zu einer geringeren Avalanchegeneration beim Maximalwert des elektrischen Feldes an der Vorderseite. Damit kann mit Hilfe der Kompensationszone 15 einer schädigenden Stromfilamentierung entgegengewirkt werden, und es kann eine verbesserte dynamische Robustheit erzielt werden.
Insbesondere die bei hohen Stromdichten während des Abschaltens bei Dioden am Kathodenemitter auftretenden Feldspitzen können bei geeigneter Dotierung und hinreichend vertikaler Ausdehnung der Kompensationszone sehr effektiv reduziert werden, indem die sich im Übergangsbereich zwischen der Driftzone und dem n⁺-dotierten Kathodenemitter ausbildende Raumladungszone gezielt aufgeweitet wird. Die Dotierung der Kompensationszone sollte dabei (bei hohen Dotierungsgradienten vom Kathodenemitter weg zumindest lokal) im Bereich der Elektronenkonzentration liegen.

1: Oberfläche
2: Halbleiterkörper
3: Bodyzone
4: Sourcezone
5: metallische Kontakt- und Verdrahtungsebene
6: Gateelektrodenstruktur
7: Gateisolationsstruktur
8: weitere Isolationsstruktur
9: Driftzone
10: Rückseitenemitterzone
11: Vorderseitenemitterzone bzw. Anode
12: Elektron-Loch-Plasma
13: schwach dotierter Bereich der Driftzone
14: neutrales Driftzonengebiet
15: Kompensationszone
E: elektrisches Feld
n = p: übereinstimmende Elektronen- und Löcherkonzentration in einem Elektron-Loch-Plasma
N: Dotierstoffkonzentration
RLZ: Raumladungszone
w1, w2: für Effizienz der Rückseitenemitterzone maßgebliche neutrale Basisweite

Claims

NPT-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder eines IGBTs mit – einer Driftzone (9) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; – einer auf der einen Seite der Driftzone (9) ausgebildeten und an die Driftzone (9) angrenzenden weiteren Halbleiterzone (3, 11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegen gesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die weitere Halbleiterzone (3, 11) eine höhere maximale Dotierstoffkonzentration als die Driftzone (9) aufweist und an eine Kontaktebene angeschlossen ist; – einer auf der anderen, zur einen Seite gegenüberliegenden Seite der Driftzone (9) ausgebildeten Rückseitenzone (10); – einem bei Anliegen einer statischen Druchbruchspannung des NPT-Halbleiterbauelements zwischen Kontaktebene und Rückseitenzone (10) verbleibenden neutralen Driftzonengebiet (14), das zwischen einem innerhalb der Driftzone (9) ausgebildeten Teil einer Raumladungszone (RLZ) und der Rückseitenzone (10) angeordnet ist, wobei: – innerhalb des neutralen Driftzonengebiets (14) eine Kompensationszone (15) eingebettet ist, die vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Driftzone (9) ist und eine im Vergleich zur Driftzone (9, 13) höhere maximale Dotierstoffkonzentration, die niedriger als die Dotierstoffkonzentration der Rückseitenzone (10) ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Driftzone (9) eine räumliche konstante Dotierstoffkonzentration hat.
NPT-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) als Dotierstoff Phosphor und/oder Selen aufweist.
NPT-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone eine n-Dotierung aufweist, die durch Einbringen von Wasserstoff in die Kompensationszone gefolgt von einer Temperung bei 250°C bis 550°C für einige 10 Minuten bis mehrere Stunden herstellbar ist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) eine Dicke im Bereich von 1% bis 25% der Dicke der Driftzone (9) aufweist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kompensationszone (15) im Bereich von 3 μm bis 20 μm liegt.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) ein von der Rückseitenzone (10) in die Driftzone (9) abfallendes Dotierstoff konzentrationsprofil aufweist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) ein von der Rückseitenzone (10) in die Driftzone (9) wenigstens teilweise ansteigendes Dotierstoffkonzentrationsprofil aufweist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das NPT-Halbleiterbauelement ein MOSFET ist, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone (3) ausbildet; und dass – die Rückseitenzone (10) vom ersten Leitfähigkeitstyp ist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone (15) kleiner als einige 10¹⁶ cm^–3 ist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone (15) kleiner als 10¹⁵ cm^–3 ist.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das NPT-Halbleiterbauelement ein IGBT ist, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone (3) ausbildet; und dass – die Rückseitenzone (10) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
NPT-Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone (15) im Bereich von 10¹⁵ cm^–3 bis 10¹⁷ cm^–3 liegt.
NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzone (9) eine maximale Dotierstoffkonzentration im Bereich von 1 × 10¹³ cm^–3 bis 8 × 10¹³ cm^–3 aufweist.