DE102006046844B4

DE102006046844B4 - Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone und Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102006046844B4
Application number: DE102006046844A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulze Hans-Joachim; Dr. Niedernostheide Franz-Josef; Uwe Kellner-Werdehausen; Dr. Barthelmess Rainer; Holger Hüsken; Dr. Mauder Anton
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2026-10-03
Also published as: DE102006046844A1

Abstract

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterköper (1), in dem zwischen einer Vorderseite (11) und einer der Vorderseite (11) gegenüberliegenden Rückseite (12) in einer vertikalen Richtung (v) eine erste Halbleiterzone (10) von einem ersten Leitungstyp (p), eine zweite Halbleiterzone (20) von einem zum ersten Leitungstyp (p) komplementären zweiten Leitungstyp (n), und eine dritte Halbleiterzone (30) vom ersten Leitungstyp (p) aufeinander folgend angeordnet sind, wobei die zweite Halbleiterzone (20) – eine erste Teilzone (21) vom zweiten Leitungstyp (n) aufweist, die von der ersten Halbleiterzone (10) beabstandet ist, die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) und deren Dotierungsdosis das 0,25-fache bis 0,75-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt, sowie – eine zweite Teilzone (22) vom zweiten Leitungstyp (n), die von der dritten Halbleiterzone (30) beabstandet ist, die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) und deren Dotierungsdosis das 0,25-fache bis 0,75-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt, wobei der Abstand der ersten Teilzone (21) von der Vorderseite (11) 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone (20) beträgt und der Abstand der zweiten Teilzone (22) von der Rückseite (12) 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone (20) beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
In der Leistungselektronik gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise Inverter-Topologien in Form von Matrixumrichtern, die Leistungsschalter erfordern, welche in beiden Richtungen hohe Spannungen sperren und die bei geeigneter Ansteuerung in einer Richtung oder in beiden Richtungen Strom führen können.
Viele Leistungshalbleiterschalter sind nur in einer Richtung sperrend, während sie in der anderen Richtung entweder leitend sind (z. B. MOSFETs) oder nur eine reduzierte Sperrfähigkeit aufweisen (z. B. IGBTs), die deutlich geringer ist als die Sperrfähigkeit in Vorwärtsrichtung. Die Ursache hierfür kann in der vertikalen Struktur solcher Bauelemente wie auch in der Konstruktion von deren Randabschluss liegen.
Zur Realisierung der Rückwärtssperrfähigkeit mit einem solchen Bauelement sind zwei Möglichkeiten bekannt.
Eine erste Möglichkeit beruht auf Leistungshalbleiterschaltern mit einem in vertikaler Richtung unsymmetrischen Dotierungsprofil, die mit einer Diode in Serie geschaltet werden. Um die Vorwärtssperrfähigkeit zu optimieren, weisen solche Leistungsschalter in der Regel eine stark dotierte Feldstoppzone auf, wie dies am Beispiel des Verlaufs 81 der Netto-Dotierstoffkonzentration eines Leistungshalbleiterschalters gemäß dem Stand der Technik zwischen einer Vorderseite 11 und einer Rückseite 12 in einer vertikalen Richtung v des Bauelements in 17 gezeigt ist.
Das Bauelement weist eine stark n-dotierte Feldstoppzone 21 auf, die unmittelbar an eine stark p-dotierte Zone an der Rückseite 12 des Bauelements angrenzt. Weiterhin ist in 17 der Verlauf 82 des Betrags des elektrischen Feldes E bei in Vorwärtsrichtung am Bauelement anliegender Spannung dargestellt.
Zur Erhöhung der Rückwärtssperrfähigkeit werden derartige Leistungsschalter üblicherweise mit einer Diode in Reihe geschaltet. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass im Durchlassfall mindestens zweimal eine Diodenspannung von 0,5 V bis 0,7 V an der Reihenschaltung abfällt.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, das Halbleiterbauelement als NPT-Bauelement (NPT = Non-Punch-Through) auszubilden. Derartige NPT-Bauelemente weisen ein in vertikaler Richtung im Wesentlichen symmetrisches Dotierungsprofil mit geringer Dotierstoffkonzentration auf, wie dies beispielhaft in 18 gezeigt ist. 18 zeigt außerdem den Verlauf der Beträge des elektrischen Feldes E bei in Vorwärtsrichtung anliegender Spannung (Verlauf 82) sowie bei in Rückwärtsrichtung anliegender Spannung (Verlauf 83).
Dem Vorteil einer nur einfachen Diodenschwelle bei einem solchen NPT-Bauelement im Durchlassfall steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass NPT-Bauelemente dickere Halbleiterchips erfordern, wodurch sowohl die Durchlassspannung als auch die Schaltverluste ansteigen. Die Chipdicken für ein NPT-Bauelement sind typischerweise um einen Faktor 1,5 größer als bei einem entsprechendem Bauelement mit Feldstoppzone.
Aus der WO 00/35021 A1 ist ein IGBT mit zwei voneinander beabstandeten Feldstoppzonen bekannt, von denen eine vorderseitig und die andere rückseitig unmittelbar an ein p-dotiertes Gebiet angrenzt und die durch Diffusionsverfahren erzeugt werden. Die Nachteile dieses IGBTs bestehen darin, dass solche Feldstoppzonen mittels Diffusion nicht vergraben hergestellt werden können und dass die neutrale Zone, d. h. die Zone ohne Raumladung, nur eine sehr geringe Ausdehnung aufweist.
Aus der EP 0 297 325 A2 ist ein Thyristor bekannt, bei dem in der n-Basis zwei voneinander beabstandete Schädigungszonen angeordnet sind. Diese Schädigungszonen werden durch eine Wasserstoffionenimplantation mit einer Implantationsdosis von 10¹⁰ cm^–2 bis 10¹² cm^–2 erzeugt.
Aus der US 4 752 818 A ist ein Thyristor bekannt, der zwei durch eine Protonenbestrahlung mit einer Protonendosis von 10¹² cm^–2 erzeugte, voneinander beabstandete Zonen aufweist.
Die DE 10 2004 047 749 A1 beschreibt einen IGBT mit einem ersten Anschlussbereich, einem zweiten Anschlussbereich sowie mit einem zwischen diesen Anschlussbereichen angeordneten Halbleitervolumen. Innerhalb des Halbleitervolumens in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs ist eine Feldstoppzone angeordnet. An den ersten Anschlussbereich grenzt ein Bodygebiet an. Der Verlauf der Dotierstoffkonzentration innerhalb des Halbleitervolumens ist so gewählt, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einer dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Grenzfläche des Bodygebiets, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs erst nahe der Grenzfläche der Feldstoppzone, die dem zweiten Anschlussbereich zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils entspricht.
Die DE 100 31 461 B4 zeigt eine Hochvolt-Diode mit einer Feldstoppzone, bei der die Dotierstoffdosis 1,8·10¹² cm^–2 beträgt.
Aus der DE 102 43 758 A1 ist ein Halbleiterbauelement mit einer strukturierten Feldstoppzone bekannt, die mittels einer Protonenbestrahlung hergestellt wird.
Die US 6 163 040 A zeigt einen Thyristor mit zwei voneinander beabstandeten Feldstoppzonen.
Die nachveröffentlichte DE 10 2005 049 506 A1 beschreibt eine vertikale Diode mit einer n-dotierten Basis, in der beabstandet zueinander zwei höher n-dotierte Halbleiterzonen angeordnet sind.
Die DE 103 60 574 A1 beschreibt ein vertikales Leistungs-Halbleiterbauelement mit einer Drift- oder Basiszone, in der in Richtung einer Vorderseite eines Halbleiterkörpers eine höher als die Drift- oder Basiszone dotierte Halbleiterzone vorhanden ist, deren Dotierung so gewählt ist, dass sie von einem elektrischen Feld, das sich bei Anlegen einer Sperrspannung ausbreitet, durchdrungen werden kann. Optional ist in der Drift- oder Basiszone in Richtung einer Rückseite des Halbleiterkörpers eine Feldstoppzone angeordnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit verbesserter Rückwärtssperrfähigkeit bereitzustellen, bei dem die konkurrierenden Größen Durchlassspannung, Speicherladung und Stoßstromfestigkeit in einem optimierten Verhältnis zueinander stehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements gemäß den Patentansprüchen 30 und 32 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper auf, in dem zwischen einer Vorderseite und einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite in einer vertikalen Richtung eine erste Halbleiterzone von einem ersten Leitungstyp, eine zweite Halbleiterzone von einem zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp und eine dritte Halbleiterzone vom ersten Leitungstyp aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Die zweite Halbleiterzone weist eine erste Feldstoppzone vom zweiten Leitungstyp auf, die von der ersten Halbleiterzone beabstandet ist, und die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone.
Außerdem umfasst die zweite Halbleiterzone eine Feldstoppzone ebenfalls vom zweiten Leitungstyp, die von der dritten Halbleiterzone beabstandet ist und die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone.
Dabei beträgt die Dotierungsdosis der ersten Feldstoppzone und/oder die Dotierungsdosis der zweiten. Feldstoppzone das 0,25-fache bis 0,75-fache, vorzugsweise etwa das 0,5-fache der so genannten Durchbruchsdotierungsdosis. Diese ist dotierungsabhängig und liegt in Siliziumbauelementen typischerweise zwischen 1,3 × 10¹² cm^–2 und 2 × 10¹² cm^–2.
Der Abstand der ersten Feldstoppzone von der Vorderseite und/oder der Abstand der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite beträgt typischerweise 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone. Im Extremfall kann eine der Feldstoppzonen dicht unterhalb des pn-Übergangs liegen, wobei auch eine asymmetrische Anordnung der Feldstoppzonen im Halbleiterkörper gewählt werden kann.
Die Dicke der ersten und zweiten Feldstoppzone in der vertikalen Richtung sollte so gering wie möglich gewählt werden und vorzugsweise weniger als 5% der Dicke der zweiten Halbleiterschicht betragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke dieser Feldstoppzonen weniger als 5 μm.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die in der vertikalen Richtung gemessenen Dicken der zwischen der ersten und der zweiten Feldstoppzone, der zwischen der ersten Feldstoppzone und der ersten Halbleiterzone sowie der zwischen der zweiten Feldstoppzone und der dritten Halbleiterzone gelegenen Abschnitte der zweiten Halbleiterzone so gering wie möglich zu wählen.
Das Ziel dieser Maßnahme besteht darin, die vertikale Verteilung des elektrischen Feldes im Halbleiterbauelement so einzustellen, dass einerseits das örtliche Integral der Feldstärke über die Raumladungszone in der vertikalen Richtung des Bauelements, d. h. der Spannungsabfall über die Raumladungszone in der vertikalen Richtung, deutlich höher ist und andererseits die sich bei voller Sperrspannung ergebende vertikale Ausdehnung der neutralen Zone deutlich größer ist als bei einem entsprechenden konventionellen Halbleiterbauelement.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abmessung des zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone in der vertikalen Richtung größer oder gleich der Abmessung des zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone in der vertikalen Richtung.
Der zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der ersten Feldstoppzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone weisen bevorzugt eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹⁴ cm^–3, besonders bevorzug von kleiner oder gleich 1 × 10¹³ cm^–3 auf.
Außerdem weisen der zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der ersten Feldstoppzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone vorzugsweise eine Dotierstoffdosis von kleiner oder gleich 25% der Durchbruchsdotierungsdosis auf.
Die Netto-Dotierstoffkonzentration des zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone kann gleich, größer oder kleiner als die Netto-Dotierstoffkonzentration des zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone gewählt werden.
Herstellungsbedingt weisen die erste und die zweite Feldstoppzone jeweils eine Stelle oder einen Bereich auf, an der bzw. in dem die betreffende Feldstoppzone eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration besitzt. Dabei ist der vertikale Abstand der Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone von der Vorderseite vorzugsweise größer oder gleich dem vertikalen Abstand der Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite des Halbleiterkörpers.
Eine solche Feldstoppzone verläuft vorzugsweise zumindest in bestimmten Abschnitten des Halbleiterbauelements als im Wesentlichen ebene Schicht und kann beispielsweise als durchgehende Schicht, streifenartig, netzartig oder inselartig ausgebildet sein, wobei die genannten Ausgestaltungen verschiedener Feldstoppzonen desselben Halbleiterbauelements unabhängig voneinander gewählt und beliebig miteinander kombiniert werden können. Eine strukturierte Ausgestaltung der Feldstoppzone erfordert zwar einen höheren fertigungstechnischen Aufwand, allerdings weist das Bauelement dann ein verbessertes Einschaltverhalten auf.
Die erste und die zweite Feldstoppzone sind im Allgemeinen voneinander beabstandet. Alternativ dazu können jedoch die erste Feldstoppzone und die zweite Feldstoppzone unmittelbar aneinander angrenzen oder aber identisch sein.
Die erste Halbleiterzone kann sich bis zur Vorderseite des Halbleiterkörpers und/oder die dritte Halbleiterzone bis zur Rückseite des Halbleiterkörpers erstrecken. Ebenso können jedoch eine oder beide dieser Halbleiterzonen von der Vorderseite und/oder von der Rückseite beabstandet sein.
Die Herstellung der ersten und/oder zweiten Feldstoppzonen oder optionaler einer oder mehrere weiterer Feldstoppzonen eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann beispielsweise mittels einer maskierten Implantation von Protonen und einem nachfolgenden Ausheil-Temperschritt erfolgen.
Zwischen der Vorderseite des Halbleiterkörpers und der ersten Feldstoppzone und/oder zwischen der Rückseite des Halbleiterkörpers und der zweiten Feldstoppzone können zur Realisierung eines bestimmten Halbleiterbauelements, beispielsweise eines Thyristors, eines IGBTs, eines MOSFETs, etc., weitere Schichten, insbesondere dotierte Halbleiterschichten, vorgesehen sein.
Die erste Feldstoppzone und/oder der zwischen der ersten Feldstoppzone und der Vorderseite gelegene Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder die erste Halbleiterzone und/oder ein gegebenenfalls vorhandener, zwischen der dritten Halbleiterzone und der Vorderseite gelegener Abschnitt des Halbleiterkörpers können zur Erzeugung einer Zellstruktur, beispielsweise der Zellstruktur eines IGBTs oder eines Thyristors, ausgebildet sein.
Ist das Halbleiterbauelement als Thyristor ausgebildet, so stellen die erste Halbleiterzone und die zweite Halbleiterzone vorzugsweise die Basiszonen und die dritte Halbleiterzone und eine vierte Halbleiterzone vorzugsweise die Emitterzonen des Thyristors dar.
Weiterhin kann der erste Leitungstyp p-leitend und der zweite Leitungstyp n-leitend sein. Umgekehrt kann jedoch auch der erste Leitungstyp n-leitend und der zweite Leitungstyp p-leitend sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Thyristors, dessen n-Basis zwei voneinander beabstandete Feldstoppzonen aufweist, die jeweils sowohl von der p-Basis als auch vom p-Emitter beabstandet sind,
2 den vertikalen Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration des Thyristors gemäß 1,
3 die Strom-Spannungskennlinie des Thyristors gemäß 1 bis zu einem maximalen Sperrstrom von 100 mA im Vergleich zur Strom-Spannungskennlinie einer konventionellen Thyristorstruktur ohne Feldstoppzone, ebenfalls bis zu einem maximalen Sperrstrom von 100 mA,
4 den Verlauf der elektrischen Feldstärke des Thyristors gemäß 1 bei einem Sperrstrom von 100 mA im Vergleich zum Verlauf der elektrischen Feldstärke eines konventionellen Thyristors ohne Feldstoppzone, ebenfalls bei einem Sperrstrom von 100 mA,
5 die Abhängigkeit der Sperrspannung eines Thyristors mit beidseitiger Feldstoppzone von der Feldstoppdosis für zwei verschiedene Grunddotierungen des Halbleiterkörpers im Vergleich zur Sperrspannung eines Thyristors ohne Feldstoppzone,
6 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration einer nach einer Wasserstoffimplantation mit nachfolgendem Ausheilschritt hergestellten Feldstoppzone,
7 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit zwei voneinander beabstandeten Feldstoppzonen und symmetrischem Dotierungsprofil,
8 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit zwei voneinander beabstandeten Feldstoppzonen, wobei ein zwischen einer ersten Feldstoppzone und der Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordneter Abschnitt der zweiten Halbleiterzone eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als ein zwischen der zweiten Feldstoppzone und der Rückseite angeordneter Abschnitt der zweiten Halbleiterzone,
9 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung eines Halbleiterbauelements gemäß 8, bei dem der zwischen der ersten Feldstoppzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone eine Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist, die höher ist als die Netto-Dotierstoffkonzentration sowohl des zwischen der ersten Feldstoppzone und der Vorderseite als auch des zwischen der zweiten Feldstoppzone und der Rückseite angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone,
10 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung gemäß 7, bei dem die erste Feldstoppzone und die zweite Feldstoppzone identisch sind,
11 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung eines Halbleiterbauelements gemäß 8, bei dem die erste Feldstoppzone und die zweite Feldstoppzone identisch sind,
12 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterbauelements mit zwei voneinander beabstandeten Feldstoppzonen, von denen jede aus voneinander beabstandeten und im Wesentlichen in einer Ebene angeordneten Inseln gebildet ist,
13 einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß Figur 12 in zur vertikalen Richtung senkrechten Ebenen A-A' und B-B' im Bereich der ersten Feldstoppzone,
14 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines IGBTs mit zwei Feldstoppzonen, von denen die erste Feldstoppzone sowie die der zwischen der ersten Feldstoppzone und der Vorderseite angeordnete Abschnitt des Halbleiterkörpers zur Ausbildung einer IGBT-Zelle strukturiert ist,
15 einen Querschnitt durch einen IGBT gemäß 14, mit dem Unterschied, dass die erste Feldstoppzone nicht strukturiert ist,
16a–c verschiedene Schritte eines Waferbondungsverfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit zwei Feldstoppzonen,
17 den unsymmetrischen Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärtsspannung eines Halbleiterbauelements mit einer Feldstoppzone gemäß dem Stand der Technik, und
18 den Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration und der elektrischen Feldstärke bei angelegter Vorwärts- bzw. Rückwärtsspannung eines Halbleiterbauelements mit NPT-Struktur gemäß dem Stand der Technik.
In den Figuren wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet. Sofern nicht anders angegeben zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Funktion.
1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines Thyristors mit einem Halbleiterkörper 1. Zwischen einer Vorderseite 11 und einer dieser gegenüberliegenden Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 1 sind in einer vertikalen Richtung v aufeinanderfolgend eine erste Halbleiterzone 10, eine zweite Halbleiterzone 20 und eine dritte Halbleiterzone 30 angeordnet. Zwischen der ersten Halbleiterzone 10 und der Vorderseite 11 ist eine optionale vierte Halbleiterzone 40 vorgesehen. Die erste Halbleiterzone 10 und die dritte Halbleiterzone 30 weisen eine p-Netto-Dotierstoffkonzentration, die zweite Halbleiterzone 20 und die vierte Halbleiterzone 40 eine n-Netto-Dotierstoffkonzentration auf.
Die Netto-Dotierungsdosis der ersten Feldstoppzone 21 und/oder der zweiten Feldstoppzone 22 beträgt bevorzugt jeweils das 0,25-fache bis 0,75-fache, besonders bevorzugt jeweils das 0,4- bis 0,6-fache der Durchbruchsdotierungsdosis.
Die zweite Halbleiterzone 20 umfasst eine erste Teilzone 21, eine zweite Teilzone 22, eine dritte Teilzone 23, eine vierte Teilzone 24 sowie eine fünfte Teilzone 25. Die erste Teilzone 21 wird nachfolgend als erste Feldstoppzone, die zweite Teilzone 22 als zweite Feldstoppzone bezeichnet. Alle Teilzonen 21 bis 24 sind vom selben Leitungstyp, wobei die erste Feldstoppzone eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als jeder der unmittelbar an sie angrenzenden Teilzonen 23 und 25. Entsprechend weist die zweite Feldstoppzone 22 eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration auf als die jeweils unmittelbar an sie angrenzenden Teilzonen 24 und 25.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen der zwischen der ersten Halbleiterzone 10 und der ersten Feldstoppzone 21 angeordnete Abschnitt 23 der zweiten Halbleiterzone 20 und der zwischen der dritten Halbleiterzone 30 und der zweiten Feldstoppzone 22 angeordnete Abschnitt 24 der zweiten Halbleiterzone 20 in der vertikalen Richtung v identische Abmessungen d23 bzw. d24 auf.
Die erste Feldstoppzone 21 weist eine Stelle S1 auf, an der ihre Netto-Dotierstoffkonzentration ein Maximum erreicht und die in der vertikalen Richtung v einen Abstand t1 von der Vorderseite 11 besitzt. Entsprechend weist die zweite Feldstoppzone 22 eine Stelle S2 auf, in der ihre Netto-Dotierstoffkonzentration einen Maximalwert annimmt und die einen Abstand t2 von der Rückseite 12 aufweist. Die Maximalwerte der Dotierstoffkonzentrationen der ersten und zweiten Feldstoppzone 21 bzw. 22 werden vorzugsweise nicht nur an einer Stelle S1 bzw. S2, sondern an mehreren Stellen oder auch an allen Stellen erreicht, die jeweils in einer zur Rückseite parallelen Ebene angeordnet sind.
Der Abstand t1 der Stelle S1 maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone und/oder der Abstand t2 der Stelle S2 der maximalen Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite 12 beträgt vorzugsweise jeweils die Summe des Abstands des pn-Übergangs zwischen der ersten Halbleiterzone 10 und der zweiten Halbleiterzone 20 von der Vorderseite und der doppelten Dicke der neutralen Zone eines für dieselbe Vorwärtssperrfähigkeit ausgelegten konventionellen Thyristors ohne Feldstoppzone.
Die Abstände t1 und t2 sind vorliegend gleich groß gewählt. Da die Kippspannung eines Thyristors im Allgemeinen deutlich niedriger liegt als die Sperrspannung, kann die Tiefe t2 der anodenseitigen Feldstoppzone 22 auch etwas geringer gewählt werden als die Tiefe t1 der kathodenseitigen Feldstoppzone 21, so dass die Bauelementdicke weiter verringert werden kann und sich die Sperrfähigkeit in beiden Polungsrichtungen einander annähert. Ebenso kann die Donatordosis in den beiden Feldstoppzonen unterschiedlich gewählt werden, um diesem Effekt Rechnung zu tragen. Grundsätzlich ist es jedoch ebenso möglich, die Tiefe t2 der anodenseitigen Feldstoppzone 22 größer zu wählen als die Tiefe t1 der kathodenseitigen Feldstoppzone 21.
Die mit einem erfindungsgemäßen Thyristor erzielbare Erhöhung von Sperr- und Kippspannung kann insbesondere dazu genutzt werden, bei einer vorgegebenen Sperr- und Kippspannung die Dicke t1 + t2 + t3 des Thyristors gegenüber der Dicke eines herkömmlichen Thyristors zu verringern.
Das Ziel dieser Anordnung besteht darin, die vertikale Verteilung des elektrischen Feldes so einzustellen, dass einerseits das Integral dieser Feldstärkeverteilung entlang der vertikalen Koordinate deutlich höher ist und andererseits die sich bei voller Sperrspannung ergebende vertikale Ausdehnung der neutralen Zone deutlich größer ist als beim konventionellen Thyristor.
Die Dicken d1 der ersten Feldstoppzone 21 und d2 der zweiten Feldstoppzone 22 sollten klein gewählt werden im Vergleich zur Dicke d20 der zweiten Halbleiterzone 20. Die Dicke d1 der ersten Feldstoppzone 21 und/oder die Dicke d2 der zweiten Feldstoppzone 22 beträgt bevorzugt weniger als 5% der Dicke d20 der zweiten Halbleiterzone 20.
Ein möglicher Verlauf 81 der Netto-Dotierstoffkonzentration N des Thyristors gemäß 1 ist in 2 in logarithmischer Darstellung gezeigt.
3 zeigt die (durchgezogene) Strom-Spannungs-Kennlinie 91 eines erfindungsgemäßen Thyristors gemäß 1 im Vergleich zur (gestrichelten) Strom-Spannungs-Kennlinie 90 eines herkömmlichen Thyristors ohne Feldstoppzone mit gleicher Sperrfähigkeit.
Der Vergleich zeigt deutlich, dass der erfindungsgemäße Thyristor nahezu über den gesamten Sperrspannungsbereich einen geringeren Sperrstrom aufweist als ein konventioneller Thyristor.
Der Verlauf der Beträge der elektrischen Feldstärken dieser Thyristoren mit der (durchgezogenen) Kennlinie 93 für den erfindungsgemäßen Thyristor und der (gestrichelten) Kennlinie 92 für den konventionellen Thyristor jeweils bei einem Sperrstrom von 100 mA vergleichend gegenüber gestellt.
Während der Betrag des elektrischen Feldes in der zweiten Halbleiterzone des konventionellen Thyristors linear zunimmt, zeigt der Betrag des elektrischen Feldes in der zweiten Halbleiterzone eines erfindungsgemäßen Thyristors einen stufenartigen Verlauf, wobei die Stellen des stufenartigen Anstiegs des Betrags der elektrischen Feldstärke jeweils am Ort der ersten und zweiten Feldstoppzone 21, 25 bei einer von der Vorderseite 11 ausgemessenen Tiefe von etwa 0,5 mm bzw. 0,97 mm zu verzeichnen ist.
5 zeigt die Abhängigkeit der Sperrspannung zweier erfindungsgemäßer Thyristoren gemäß 1 von der Netto-Dotierungsdosis der beiden Feldstoppzonen 21, 22 im Vergleich zur Sperrspannung eines konventionellen Thyristors, jeweils bei einer Temperatur von 363 K.
Der gestrichelte Verlauf 96 entspricht einem erfindungsgemäßen Thyristor, dessen dritte, vierte und fünfte Teilzone 23, 24 bzw. 25 eine Netto-Dotierstoffkonzentration von 8,15·10¹¹ cm^–3, die durchgezogene Kennlinie 97 dem zweiten erfindungsgemäßen Thyristor, dessen dritte, vierte und fünfte Teilzone 23, 24 bzw. 25 eine Netto-Dotierstoffkonzentration von 5,0·10¹⁰ cm^–3 aufweisen, jeweils bei einem Sperrstrom von 100 mA. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Donatordosis in der ersten und zweiten Feldstoppzone 21 bzw. 22 identisch gewählt.
Da die Prozessierung eines Thyristors in der Regel ausgehend von einem eine Grunddotierung aufweisenden Substrat erfolgt, entspricht die Netto-Dotierstoffkonzentration der dritten, vierten und fünften Teilzone 23, 24 bzw. 25 bevorzugt der Grunddotierung des Substrates.
Für einen Thyristor gemäß dem Stand der Technik ergibt sich bei einer Netto-Dotierstoffkonzentration der n-dotierten Basis von 8,91·10¹² cm^–3 und einem Sperrstrom, von 100 mA eine Sperrspannung von 9,55 kV (Verlauf 95 in 5). Demgegenüber lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Thyristor eine deutlich erhöhte Sperrspannung von 9,81 kV (Maximum des Verlaufs 96 in 5), mit der weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors sogar eine Sperrspannung von 9,92 kV erzielen (Maximum des Verlaufs 97 in 5). Bei höheren Temperaturen steigt der Sperrspannungsgewinn eines erfindungsgemäßen Thyristors im Vergleich zu einem herkömmlichen Thyristor sogar noch weiter an.
6 zeigt den Verlauf 81 der Netto-Dotierstoffkonzentration N einer gemäß einem bevorzugten Verfahren hergestellten ersten Feldstoppzone 21 in Abhängigkeit vom Abstand von der bestrahlten Halbleiteroberfläche.
Die Herstellung dieser Feldstoppzone 21 erfolgt hier durch vorderseitige Implantation von Protonen und einem nachfolgenden Ausheilschritt durch Temperung des Halbleiterkörpers bei Temperaturen von 300°C bis 450°C. Infolge der Protonenbestrahlung bilden sich Donatoren aus, die zur Erzeugung derartiger Feldstoppzonen genutzt werden können. An einer Stelle S1 des Dotierungsprofils weist die Feldstoppzone 21 eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration N_max auf.
In gleicher Weise kann die zweite Feldstoppzone 22 gemäß den 1 und 2 durch eine von der Rückseite 12 ausgehende Protonenbestrahlung mit nachfolgender Temperung bei Temperaturen von 300°C bis 450°C hergestellt werden.
In den 1 bis 5 wurde die erfindungsgemäße Ausbildung eines Halbleiterbauelements mit zwei Feldstoppzonen am Beispiel eines Thyristors erläutert. Die Ausführungen hierzu lassen sich jedoch in entsprechender Weise auch auf beliebige andere Halbleiterbauelemente, insbesondere MOSFETs und IGBTs, übertragen. Bei IGBTs mit einer derartigen Anordnung und Dimensionierung der zweiten Halbleiterzone, insbesondere der Feldstoppzonen lässt sich eine Reduktion der Durchlassverluste auf 60% der Durchlassverluste bezogen auf den Bahnwiderstand in der zweiten Halbleiterzone eines herkömmlichen NPT-IGBT erreichen (NPT = Non Punch Through).
Die 7 bis 11 zeigen die Verläufe 81 verschiedener Netto-Dotierstoffkonzentrationen N, die zumindest abschnittweise in den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen realisiert sind.
Der Verlauf 81 der Netto-Dotierstoffkonzentration N gemäß 7 zeigt eine stark p-dotierte erste Halbleiterzone 10 sowie eine stark p-dotierte dritte Halbleiterzone 30, zwischen denen eine n-dotierte zweite Halbleiterzone mit stark n-dotierten ersten und zweiten Feldstoppzonen 21, 22 sowie schwach n-dotierten Teilzonen 23, 24 und 25 angeordnet ist.
Die stark n-dotierte erste Teilzone 21 stellt die erste Feldstoppzone, die zweite stark n-dotierte Teilzone 22 die zweite Feldstoppzone dar. Die dritte Teilzone 23 ist zwischen der ersten Halbleiterzone 10 und der ersten Feldstoppzone 21, die vierte Teilzone 24 zwischen der dritten Halbleiterzone 30 und der zweiten Feldstoppzone 22 angeordnet. Weiterhin ist die fünfte Teilzone 25 zwischen der ersten Feldstoppzone 21 und der zweiten Feldstoppzone 22 angeordnet.
Die Teilzonen 23, 24, und 25 weisen vorzugsweise dieselbe Netto-Dotierstoffkonzentration N auf. Außerdem weisen die erste Feldstoppzone 21 und die zweite Feldstoppzone 22 Stellen S1 bzw. S2 auf, an denen die Netto-Dotierstoffkonzentration N innerhalb der betreffenden Feldstoppzonen 1 bzw. 2 ein Maximum N_max1 bzw. N_max2 annimmt. Die Netto-Dotierstoffkonzentrationen N_max1 und N_max2 der ersten bzw. zweiten Feldstoppzone 21 bzw. 22 sind vorzugsweise identisch gewählt.
Im Unterschied zu 7 zeigt der Verlauf 81 der Netto-Dotierstoffkonzentration N gemäß 8 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration der dritten Teilzone 23 größer ist als die Netto-Dotierstoffkonzentration der vierten Teilzone 24 und der fünften Teilzone 25. Die Netto-Dotierstoffkonzentration innerhalb der zweiten Halbleiterzone 20 ist damit – abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 – unsymmetrisch.
Alternativ zu dem Verlauf 81 gemäß 7 kann die Netto-Dotierstoffkonzentration der fünften Teilzone 25 auch größer als die Netto-Dotierstoffkonzentration der vierten Teilzone 24, insbesondere so groß wie die Netto-Dotierstoffkonzentration der dritten Teilzone 23 gewählt werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 mit dem Unterschied, dass die erste Feldstoppzone 21 und die zweite Feldstoppzone 22 unmittelbar aneinander angrenzen, woraus sich ergibt, dass die Netto-Dotierstoffkonzentration der fünften Teilzone 25 größer ist als jede der Netto-Dotierstoffkonzentrationen der dritten Teilzone 23 und der vierten Teilzone 24.
Verringert man ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 den Abstand der Stellen S1 und S2 maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten bzw. zweiten Feldstoppzone 21 bzw. 22, so überlagern sich die Feldstoppzonen 21, 22 im Grenzfall, d. h. die erste Feldstoppzone 21 und die zweite Feldstoppzone 22 sind identisch, was im Ergebnis in 10 gezeigt ist.
Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ergibt sich bei einer derartigen Verringerung des Abstandes der Stellen S1, S2 maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der Feldstoppzonen 21 bzw. 22 ein Verlauf 81, wie er in 11 gezeigt ist.
Neben dem Verlauf 81 der Netto-Dotierstoffkonzentration N ist in den 7 bis 11 außerdem der Verlauf 82 des Betrages der elektrischen Feldstärke E bei in Vorwärtsrichtung anliegender Spannung sowie der Verlauf 83 des Betrages der elektrischen Feldstärke E bei in Rückwärtsrichtung anliegender Spannung dargestellt. In jedem Fall steigt der Betrag des Gradienten des elektrischen Feldes E in der vertikalen Richtung v mit zunehmender Netto-Dotierstoffkonzentration.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den 7 bis 11 sind so gewählt, dass die erste Halbleiterzone 10 unmittelbar an die Vorderseite 11 und die dritte Halbleiterzone 30 unmittelbar an die Rückseite 12 des Halbleiterkörpers angrenzt. Generell können bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement jedoch zwischen der Vorderseite 11 und der ersten Halbleiterzone 10 und/oder zwischen der Rückseite 12 und der dritten Halbleiterzone 30 jeweils eine oder mehrere weitere Halbleiterzonen vorgesehen sein.
Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt 12 in Form eines Vertikalschnittes durch einen Abschnitt des Halbleiterkörpers 1 eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Bei diesem Bauelement ist zwischen der ersten Halbleiterzone 10 und der Vorderseite 11 eine Zone 40 und zwischen der dritten Halbleiterzone 30 und der Rückseite 12 eine Zone 50 angeordnet. Die Zonen 40, 50 sind jeweils optional und können sowohl unabhängig voneinander als auch in Kombination miteinander vorgesehen sein. Jede der Zonen 40, 50 kann beliebige andere Bauelementstrukturen wie z. B. Zellstrukturen eines MOS-FETs oder eines IGBTs, Zündstufen eines Thyristors oder Isolationsschichten enthalten.
Weiterhin zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 12, dass eine erfindungsgemäße Feldstoppzone nicht notwendigerweise als durchgehende, zusammenhängende Schicht ausgebildet sein muss, sondern dass sie auch strukturiert ausgebildet sein kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 ist jede der Feldstoppzonen 21, 22 aus einer Anzahl stark n-dotierter Inseln gebildet, die jeweils im Wesentlichen in einer Ebene A-A' bzw. B-B' in einer zur vertikalen Richtung v senkrechten lateralen Richtung r beabstandet voneinander in der zweiten Halbleiterzone 20 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die erste Feldstoppzone 21 und die zweite Feldstoppzone 22 identisch strukturiert, was aus 13 ersichtlich ist, welche einen Querschnitt durch die Schnittebene A-A' bzw. durch die Schnittebene B-B' gemäß 12 darstellt.
Grundsätzlich können die erste und die zweite Feldstoppzone 21 bzw. 22 unabhängig voneinander sowohl gleich als auch unterschiedlich strukturiert oder auch unstrukturiert ausgebildet sein.
So zeigt beispielsweise 14 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines IGBTs, bei dem die erste Feldstoppzone 21, die dritte Teilzone 23, die erste Halbleiterzone 10 sowie eine vierte Halbleiterzone 40 zur Erzeugung einer Zellstruktur des IGBTs strukturiert ausgebildet sind. Die Herstellung der ersten Feldstoppzone 21 kann beispielsweise durch eine maskierte Implantation von Protonen und einem nachfolgenden Ausheil-Temperschritt erfolgen. Abhängig von der vorgesehenen Tiefe sowie der vorgesehenen Dicke der herzustellenden Feldstoppzone 21 kann die Implantation ausgehend von der Vorderseite 11 und/oder entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß den 16a bis 16c von einer Implantation in einen Teilkörper des herzustellenden Halbleiterkörpers 1 mit nachfolgendem Waferbonden erfolgen.
Der IGBT weist eine Source-Elektrode 61, eine Drain-Elektrode 62 und eine Gate-Elektrode 63 auf, sowie ein zwischen der Gate-Elektrode 63 und dem Halbleiterkörper 1 angeordnetes Gate-Dielektrikum 64.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 15 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 14 mit dem Unterschied, dass die erste Feldstoppzone 21 und die fünfte Teilzone 25 als im Wesentlichen ebene Schichten ausgebildet sind, die in der lateralen Richtung r verlaufen.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann auf verschiedene Weise erfolgen. Im einfachsten Fall können alle oder einige der Halbleiterschichten 10, 20, 30 einschließlich der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Teilzone 21 bis 25 aufeinanderfolgend epitaktisch aufgebaut werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in einem Halbleiterkörper, der eine schwache n-Grunddotierung aufweist, die erste Halbleiterzone 10, die dritte Halbleiterzone 30, sowie gegebenenfalls optionale vierte Halbleiterzonen 40 und fünfte Halbleiterzonen 50 durch Diffusions- und/oder Implantationsschritte zu erzeugen.
Die Herstellung der stark n-dotierten Feldstoppzonen 21, 22 kann durch tiefe Implantation von Protonen mit nachfolgender Temperung bei Temperaturen zwischen 300°C und 450°C erzeugt werden. Dabei wird die erste Feldstoppzone 21 vorzugsweise durch vorderseitige, die zweite Feldstoppzone 22 vorzugsweise durch rückseitige Protonen-Implantation erzeugt. In Folge der Implantation von Protonen gefolgt von der Temperung bilden sich im Bereich des Implantationsgebietes Donatoren aus, was zur Erzeugung der Feldstoppzonen 21, 22 genutzt werden kann.
Eine weitere Alternative zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit zwei Feldstoppzonen ist in den 16a bis 16c gezeigt. Dabei wird der Halbleiterkörper 1 durch Waferbonden erzeugt, indem ein erster Teilkörper 1' und ein zweiter Teilkörper 1'' zusammengefügt werden.
Jeder der Teilkörper 1' und 1'' weist eine schwache n-Grunddotierung auf. Wie aus 16a ersichtlich ist, werden Protonen 70 sowohl in eine Zone 21' des ersten Teilkörpers 1' als auch in eine Zone 22' des zweiten Teilkörpers 1'' implantiert. Um eine vorgegebenen Strukturierung der herzustellenden ersten und/oder zweiten Feldstoppzone zu erreichen, kann die Implantation der Protonen auch maskiert erfolgen.
16b zeigt die Teilkörper 1', 1'' nach der Implantation, welche zusammengefügt werden, so dass sich das in 16c gezeigte Bauelement ergibt.
Der nach der Implantation der Protonen erforderliche Ausheilschritt kann sowohl vor als auch nach dem Zusammenfügen der Teilkörper 1', 1'' gemäß 16b erfolgen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Bauelementen mit zwei Feldstoppzonen beschrieben. Grundsätzlich kann die Anzahl der Feldstoppzonen jedoch beliebig gewählt werden. Weitere Feldstoppzonen sind vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Feldstoppzone als weitere Teilzonen der zweiten Halbleiterzone vorgesehen.
Außerdem kann bei allen erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen die Herstellung der ersten und/oder der zweiten sowie optional einer oder mehrerer weiterer Feldstoppzonen mittels einer maskierten Implantation von Protonen und einem nachfolgenden Ausheil-Temperschritt erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterkörper
1': erster Teilkörper des Halbeiterkörpers
1'': zweiter Teilkörper des Halbeiterkörpers
10: erste Halbleiterzone
11: Vorderseite des Halbleiterkörpers
12: Rückseite des Halbleiterkörpers
20: zweite Halbleiterzone
21: erste Teilzone der zweiten Halbleiterzone (erste Feldstoppzone)
21': Zone des ersten Teilkörpers
22: zweite Teilzone der zweiten Halbleiterzone (zweite Feldstoppzone)
22': Zone des zweiten Teilkörpers
23: dritte Teilzone der zweiten Halbleiterzone
24: vierte Teilzone der zweiten Halbleiterzone
25: fünfte Teilzone der zweiten Halbleiterzone
30: dritte Halbleiterzone
40: vierte Halbleiterzone
50: fünfte Halbleiterzone
61: Source-Elektrode
62: Drain-Elektrode
63: Gate-Elektrode
64: Gate-Dielektrikum
70: Protonen
81: Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration
82: Verlauf des elektrischen Feldes in Vorwärtsrichtung
83: Verlauf des elektrischen Feldes in Rückwärtsrichtung
90: Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrrichtung (konventionell ausgelegter Thyristor)
91: Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrrichtung (erfindungsgemäß ausgelegter Thyristor)
92: Verlauf des elektrischen Feldes (konventionell ausgelegter Thyristor)
93: Verlauf des elektrischen Feldes (erfindungsgemäß ausgelegter Thyristor)
95: Sperrspannung eines Thyristors gemäß dem Stand der Technik bei einem Sperrstrom von 100 mA
96: Abhängigkeit von der Sperrspannung eines erfindungsgemäßen Thyristors bei einem Sperrstrom von 100 mA von der Netto-Dotierungsdosis der Feldstoppzone
97: Abhängigkeit der Sperrspannung eines erfindungsgemäßen Thyristors bei einem Sperrstrom von 100 mA von der Netto-Dotierungsdosis der Feldstoppzone
A-A': Schnittebene
B-B': Schnittebene
d1: Dicke der ersten Feldstoppzone in der vertikalen Richtung
d2: Dicke der zweiten Feldstoppzone in der vertikalen Richtung
d20: Dicke der zweiten Halbleiterzone
d23: Dicke der dritten Halbleiterzone in der vertikalen Richtung
d24: Dicke der vierten Halbleiterzone in der vertikalen Richtung
d25: Dicke der fünften Halbleiterzone in der vertikalen Richtung
E: Elektrisches Feld
N: Netto-Dotierstoffkonzentration
N_max1: maximale Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone
N_max2: maximale Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone
r: laterale Richtung
S1: Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone
S2: Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone
t1: Vertikalabstand der Stelle der maximalen Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone von der Vorderseite
t2: Vertikalabstand der Stelle der maximalen Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite
t3: Vertikalabstand der Stelle maximaler NettoDotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone von der Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone
v: vertikale Richtung

Claims

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterköper (1), in dem zwischen einer Vorderseite (11) und einer der Vorderseite (11) gegenüberliegenden Rückseite (12) in einer vertikalen Richtung (v) eine erste Halbleiterzone (10) von einem ersten Leitungstyp (p), eine zweite Halbleiterzone (20) von einem zum ersten Leitungstyp (p) komplementären zweiten Leitungstyp (n), und eine dritte Halbleiterzone (30) vom ersten Leitungstyp (p) aufeinander folgend angeordnet sind, wobei die zweite Halbleiterzone (20) – eine erste Teilzone (21) vom zweiten Leitungstyp (n) aufweist, die von der ersten Halbleiterzone (10) beabstandet ist, die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) und deren Dotierungsdosis das 0,25-fache bis 0,75-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt, sowie – eine zweite Teilzone (22) vom zweiten Leitungstyp (n), die von der dritten Halbleiterzone (30) beabstandet ist, die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) und deren Dotierungsdosis das 0,25-fache bis 0,75-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt, wobei der Abstand der ersten Teilzone (21) von der Vorderseite (11) 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone (20) beträgt und der Abstand der zweiten Teilzone (22) von der Rückseite (12) 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone (20) beträgt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Dotierungsdosis der ersten Teilzone (21) und/oder der zweiten Feldstoppzone (22) das 0,4-fache bis 0,6-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dotierungsdosis der ersten Teilzone (21) und/oder der zweiten Teilzone (22) zwischen 1,3 × 10¹² cm^–2 und 2 × 10¹² cm^–2 beträgt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹⁴ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹³ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Dotierstoffdosis von kleiner oder gleich 25% der Durchbruchsdotierungsdosis aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹⁴ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, bei dem der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹³ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten V (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Dotierstoffdosis von kleiner oder gleich 25% der Durchbruchsdotierungsdosis aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der ersten Teilzone (21) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (25) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹⁴ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, bei dem der zwischen der ersten Teilzone (21) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (25) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 10¹³ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der ersten Teilzone (21) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (25) der zweiten Halbleiterzone (20) eine Dotierstoffdosis von kleiner oder gleich 25% der Durchbruchsdotierungsdosis aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) und der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Feldstoppzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) identische Netto-Dotierstoffkonzentrationen aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem Ansprüche 1 bis 12, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist, die höher ist als eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration des zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Feldstoppzone (22) angeordneten Abschnitts (24) der zweiten Halbleiterzone (20).
Halbleiterbauelement nach einem Ansprüche 1 bis 12, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist, die geringer ist als eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration des zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Teilzone (22) angeordneten Abschnitts (24) der zweiten Halbleiterzone (20).
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) und der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Feldstoppzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) in der vertikalen Richtung (v) identische Abmessungen (d23, d24) aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilzone (21) eine Stelle (S1) maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist, die von der Vorderseite (11) ebenso weit beabstandet ist wie eine Stelle (S2) maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Teilzone (22) von der Rückseite (12).
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die erste Feldstoppzone (21) eine Stelle (S1) maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist, die weiter von der Vorderseite (11) beabstandet ist als eine Stelle (S2) maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Teilzone (22) von der Rückseite (12).
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die erste Teilzone (21) eine Stelle (S1) maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist, die weniger weit von der Vorderseite (11) beabstandet ist als eine Stelle (S2) maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Teilzone (22) von der Rückseite (12).
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilzone (21) als durchgehende Schicht oder streifenartig oder netzartig ausgebildet ist oder eine Anzahl voneinander beabstandeter Inseln aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Teilzone (22) als durchgehende Schicht oder streifenartig oder netzartig ausgebildet ist oder eine Anzahl voneinander beabstandeter Inseln aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Teilzone (21) und die zweite Teilzone (22) voneinander beabstandet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Vorderseite (11) und der ersten Halbleiterzone (10) eine vierte Halbleiterzone (40) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, bei dem die vierte Halbleiterzone (40) vom zweiten Leitungstyp (n) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 23 oder 24, bei dem die vierte Halbleiterzone (40) in einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten lateralen Richtung (r) strukturiert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 24 oder 25, das als Thyristor ausgebildet ist, bei dem die erste Halbleiterzone (10) und die zweite Halbleiterzone (20) die Basiszonen und die dritte Halbleiterzone (30) und die vierte Halbleiterzone (40) die Emitterzonen des Thyristors bilden.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, das als IGBT ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, bei dem die erste Halbleiterzone (10) und/oder die erste Teilzone (21) und/oder der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) zur Ausbildung von IGBT-Zellen strukturiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Leitungstyp ”n” und der zweite Leitungstyp ”p” oder bei dem der erste Leitungstyp ”p” und der zweite Leitungstyp ”n” ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Feldstoppzone (21) und/oder die zweite Teilzone (22) mittels einer Protonenimplantation und eines nachfolgenden Ausheilschrittes durch Temperung des Halbleiterkörpers (1) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Protonenimplantation zur Herstellung der ersten Teilzone (21) und/oder die Protonenimplantation zur Herstellung der zweiten Feldstoppzone (22) maskiert erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 29 mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines ersten Teil-Halbleiterkörpers (1') und eines zweiten Teilhalbleiterkörpers (1'') – Einbringen eine Dotierung vom zweiten Leitungstyp (n) bewirkender Stoffe in eine erste Zone (21') des ersten Teil-Halbleiterkörpers (1') ausgehend von einer Vorderseite (11') des ersten Halbleiterkörpers (1'), – Einbringen eine Dotierung vom zweiten Leitungstyp (n) bewirkender Stoffe in eine erste Zone (22') des zweiten Teil-Halbleiterkörpers (1'') ausgehend von einer Vorderseite (11'') des zweiten Halbleiterkörpers (1'), – Verbinden der Vorderseiten (11', 11'') des ersten Teil-Halbleiterkörpers (1') und des zweiten Teil-Halbleiterkörpers (1'') zur Herstellung des Halbleiterkörpers (1).
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem die erste Zone (21') des ersten Teil-Halbleiterkörpers (1') und/oder die erste Zone (22') des zweiten Teil-Halbleiterkörpers (1'') von der Vorderseite (11', 11'') des jeweiligen Teil-Halbleiterkörpers (1', 1'') beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, bei dem das Einbringen eine Dotierung vom zweiten Leitungstyp (n) bewirkender Stoffe mittels Implantation und/oder mittels Diffusion erfolgt.