DE102006047489B9

DE102006047489B9 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102006047489B9
Application number: DE102006047489A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Willmeroth Armin; Dr.rer.nat. Rüb Michael; Dr.-Ing. Tolksdorf Carolin; Dr.rer.nat. Schmitt Markus
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: DE102006047489B4; US20080237701A1; US7973362B2; DE102006047489A1

Abstract

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der einen aktiven Zellenbereich (1) aufweist, der von einem Randgebiet (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps umgeben ist und einen Rand (17) aufweist, wobei in das Randgebiet (2) Ladungskompensationsbereiche (6) eines zweiten Leitfähigkeitstyps eingebettet sind, die sich von einer Oberseite (9) des Halbleiterbauelements vertikal in den Halbleiterkörper hinein erstrecken und derart angeordnet sind, dass die Oberseiten der Ladungskompensationsbereiche auf der Oberseite (9) des Halbleiterbauelements Gitterpunkte eines orthogonalen Rechteckgitters bilden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anzahl Ns der Ladungsträger, die in einem durch zwei in einer horizontalen Richtung senkrecht zum Rand (19) benachbarte Ladungskompensationsbereiche (6) eingeschlossenen Volumen Vs vorhandenen sind, und für die Anzahl Np der Ladungsträger, die in einem durch zwei in einer horizontalen Richtung (20) parallel zum Rand benachbarte Ladungskompensationsbereiche eingeschlossenen Volumen Vp vorhandenen sind, Np > Ns gilt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Randabschluss für ein Halbleiterbauelement mit hoher Avalanchefestigkeit. Sie betrifft weiter ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Bei Halbleiterbauelementen, insbesondere bei Leistungshalbleiterbauelementen wie Leistungs-MOSFETs, sind der Einschaltwiderstand und die Durchbruchspannung wichtige Parameter. Bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen sind beide Größen über die Höhe der Dotierung gekoppelt, so dass für einen niedrigeren Einschaltwiderstand eine niedrigere Durchbruchspannung in Kauf genommen werden muss. Eine Möglichkeit, diese Kopplung aufzuheben, sind Kompensationsbauelemente, bei denen in der beispielsweise n-leitenden Driftstrecke p-leitende Kompensationsbereiche angeordnet sind, die in die Driftzone eingebrachte Ladungen durch Spiegelladungen kompensieren und auf diese Weise eine Erhöhung der Dotierung an der Driftzone zu ermöglichen und damit den Einschaltwiderstand bei gleich bleibender Spannung zu ermöglich.
Zur Bereitstellung eines robusten Bauelements ist es vorteilhaft, den Avalanchedurchbruch aus dem Randbereich des Halbleiterbauelements in den aktiven Zellbereich zu verlegen. Dazu sind Kompensationsbereiche auch im Randbereich des Halbleiterbauelements angeordnet und weisen zur Bildung eines Randabschlusses dort ein feineres Raster auf als im aktiven Zellbereich. Dadurch wird erreicht, dass der Dotierstoff im Rand homogener verteilt und die Stärke von Querfeldern somit reduziert wird. Ein derartiges Halbleiterbauelement ist aus der DE 101 00 802 C1 bekannt.
Die DE 103 03 335 A1 zeigt ein Halbleiterbauelement mit aktivem Zellenbereich und Randgebiet, in dem Ladungskompensationsbereiche in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind.
Dabei ist es jedoch problematisch, dass zur Erzielung eines noch geringeren Einschaltwiderstands die Kompensationsstrukturen weiter verkleinert werden müssten, damit die Dotierniveaus entsprechend angehoben werden können. Kleinere Strukturen in den Lithografieebenen für die Erzeugung der Kompensationsgebiete bedeuten bei gleichbleibender Lithografietoleranz in den erzeugten Strukturen jedoch eine erhebliche Zunahme der Schwankung des erzielten Kompensationsgrades. Solche Schwankungen, die erhöhten Ausschuss bei der Produktion zur Folge haben, werden durch die Erhöhung des Dotierniveaus noch verstärkt, da die maximal erlaubte Abweichung von dem idealen Kompensationsgrad eine absolute Größe ist. Somit nehmen die Anforderungen an die relative Genauigkeit proportional zum höheren Dotierniveau zu und die Lithografietoleranz im Randgebiet wird zum begrenzenden Element.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Randabschluss für ein Halbleiterbauelement anzugeben, der eine möglichst gute Kompensation der Ladungsträger im Randbereich und weitere Erhöhung des Dotierniveaus erlaubt, ohne die beschriebenen Nachteile aufzuweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements angegeben, das die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit großer Avalanchefestigkeit erlaubt, ohne große Fertigungsstreuungen aufzuweisen.
Ein Randabschluss für ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der einen Rand mit einem Randgebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, weist in dem Randgebiet Ladungskompensationsbereiche eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf, die in das Randgebiets des ersten Leitfähigkeitstyps eingebettet sind. Die Ladungskompensationsbereiche erstrecken sich von einer Oberseite des Halbleiterbauelements vertikal in den Halbleiterkörper hinein. Dabei werden unter Ladungskompensationsbereichen, die sich vertikal in das Volumen hinein erstrecken, hier und im folgenden auch solche verstanden, die aus einer Gruppe voneinander getrennter, vertikal untereinander liegender, einzelner Kompensationsbereiche bestehen.
Für die mittlere Anzahl N_s der in einem Volumen V_s zwischen zwei in einer Richtung senkrecht zum Rand benachbarten Ladungskompensationsbereichen vorhandenen Ladungsträger und für die mittlere Anzahl N_p der in einem Volumen V_p zwischen zwei in einer Richtung parallel zum Rand benachbarten Ladungskompensationsbereichen vorhandenen Ladungsträger gilt N_p > N_s. Unter Ladungsträger würden hier die Ladungsträger im spannungslosen Fall verstanden.
Bei einer homogenen Dotierung gilt also auch für das mittlere Volumen V_s zwischen zwei in einer Richtung senkrecht zum Rand benachbarten Ladungskompensationsbereichen und für das mittlere Volumen V_p zwischen zwei in einer Richtung parallel zum Rand benachbarten Ladungskompensationsbereichen V_p > V_s.
Der Größe der Öffnungen in den Lithografiemasken, durch die die Dotierungen in die Kompensationsbereiche eingebracht werden, kommt eine wichtige Bedeutung zu. Um die Nachteile im Stand der Technik wie eine große Fertigungsstreuung zu umgehen, sollten die Öffnungen möglichst groß sein. Andererseits ist aber zur feinen Verteilung des Dotierstoffes ein möglichst enges Raster anzustreben.
Im Sperrfall treten starke elektrische Querfelder in einer Richtung senkrecht zum Rand auf, weil die Ladungsträger im Randgebiet im Gegensatz zum aktiven Zellenbereich senkrecht zum Rand nur von einer Seite her aus dem Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps ausgeräumt werden, nämlich von der in Richtung auf den aktiven Bereich zu benachbarten Kompensationsstruktur aus, weswegen im Randbereich ein wesentlich höheres Potential zum Ausräumen benötigt wird wie im Zellbereich.
In einer Richtung parallel zum Rand erfolgt das Ausräumen der Ladungsträger aus den Gebieten des ersten Leitfähigkeitstyps wie im Zellbereich von zwei Seiten aus. Das Ausräumen der Ladungsträger erfolgt im Randgebiet demnach asymmetrisch bezüglich der Richtungen senkrecht und parallel zum Rand.
Für eine bessere Kompensation der Ladungen sollte dieser Asymmetrie bei der Anordnung der Kompensationsbereiche innerhalb des Randgebiets Rechnung getragen werden. Da die Ladungsträger im Randgebiet senkrecht zum Rand nur von einer Seite her ausgeräumt werden, parallel zum Rand jedoch von beiden Seiten, dürfen die Ladungskompensationsbereiche in einer Richtung parallel zum Rand weiter voneinander beabstandet sein als in einer Richtung senkrecht zum Rand.
Dadurch wird bewirkt, dass zu jeder Volumeneinheit auszuräumenden Randgebiets des ersten Leitfähigkeitstyps eine ausreichend große Volumeneinheit eines Ladungskompensationsbereichs des zweiten Leitfähigkeitstyps bereitgestellt ist und gleichzeitig kein Ausräumvermögen der Kompensationsbereiche verschwendet wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass im Randgebiet ein doppeltes Potential zum Ausräumen bereitgestellt werden muss, das zum Auftreten starker Querfelder führen würde.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Ladungskompensationsbereiche in dem Randgebiet periodisch derart angeordnet, dass ihre Oberseiten auf der Oberseite des Halbleiterbauelements Gitterpunkte eines orthogonalen Gitters bilden, wobei die Abstände zwischen benachbarten Gitterebenen in einer Richtung parallel zum Rand größer sind als in einer Richtung senkrecht zum Rand. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Oberseiten der Ladungskompensationsbereiche also Gitterpunkte eines Rechteckgitters.
Die Ladungskompensationsbereiche können beispielsweise die Form von Säulen mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt haben, sie können jedoch auch Säulen mit im Wesentlichen rundem Querschnitt sein.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Ladungskompensationsbereiche in vertikaler Richtung konstant. Alternativ kann sie jedoch auch in vertikaler Richtung variieren.
Der Randabschluss kann zusätzlich zu den Ladungskompensationsbereichen innerhalb des Randgebietes auch noch weitere Strukturen wie Feldringe, Feldplatten oder Variation of Lateral Doping-Gebiete aufweisen.
Der Randabschluss kann beispielsweise bei einem vertikalen Halbleiterbauelement besonders gut eingesetzt werden. Ein solches vertikales Halbleiterbauelement weist eine Vorderseite mit einem Sourceanschluss und eine Rückseite mit einem Drainanschluss und zwischen Source und Drain eine vertikale Driftstrecke auf, in der die Ladungskompensationsgebiete angeordnet sind. Der Drainanschluss kann jedoch auch von der Vorderseite des Bauelements zugänglich sein, wo er am Rand des Halbleiterchips angeordnet ist.
Ein nicht beanspruchtes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit Ladungskompensationsbereichen in seinem Randgebiet weist folgende Schritte auf: Zunächst wird eine Vielzahl von Schichten aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps zur Ausbildung eines Halbleiterkörpers mit einem Rand und einem Randgebiet hergestellt.
Dazu wird eine Vielzahl von Lithografiemasken jeweils im Wechsel mit dem Abscheiden einer oder mehrerer Schichten aus Halbleitermaterial ausgebildet, wobei die Masken Öffnungen zum Einbringen von Ladungskompensationsbereichen in die Schichten aufweisen und die Öffnungen in einer Richtung parallel zum Rand größere mittlere Abstände zu benachbarten Öffnungen aufweisen als in einer Richtung senkrecht zum Rand. Mit Hilfe der Masken werden Ladungskompensationsbereiche eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet, so dass die mittleren Abstände zwischen Ladungskompensationsbereichen in einer Richtung parallel zum Rand größer sind als in einer Richtung senkrecht zum Rand.
Dabei können die Ladungskompensationsbereiche mittels Ionenimplantation und nachfolgender thermischer Ausdiffusion eingebracht werden, das Ausbilden der Ladungskompensationsbereiche kann aber beispielsweise auch durch epitaktisches Abscheiden erfolgen.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass Lithografiemasken mit verhältnismäßig großen Öffnungen zur Ausbildung der Ladungskompensationsbereiche verwendet werden können. Dadurch ist es möglich, gegebenenfalls die Dotierstoffkonzentration weiter zu erhöhen und das Raster im Mittel zu verringern, ohne dass dies zu starken Schwankungen im Kompensationsgrad und damit zu einem erhöhten Ausschuss bei der Produktion führt. Dadurch kann ein Halbleiterbauelement mit optimierten Kompensationseigenschaften hergestellt werden, bei dem es trotzdem möglich ist, den Avalanchedurchbruch aus dem Randgebiet in den aktiven Zellbereich hinein zu verlegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Halbleiterbauelements gemäß 1;
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Halbleiterbauelements gemäß 1;
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Halbleiterbauelements gemäß 1;
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Halbleiterbauelement gemäß 1 weist einen aktiven Zellenbereich 1 auf, der von einem Randgebiet 2 umgeben ist. Der Halbleiterkörper 21 aus Silizium weist typischerweise ein n⁺-leitendes Substrat 3 und zusätzlich n-leitende Schichten 4, 5 auf.
An der Oberseite 9 des Halbleiterbauelements sind durch einen Sourcekontakt 13 kontaktierte n-leitende Sourcezonen 8 mit p-leitenden Wannen 7 angeordnet. Auf seiner Rückseite 15 weist das Halbleiterbauelement einen Drainkontakt 16 auf. Zwischen Sourcezonen 8 und Drainkontakt 16 ist eine vertikale Driftstrecke 22 vorgesehen, in der p-leitende, säulenförmige Ladungskompensationsbereiche 6 angeordnet sind. Über in einer Isolationsschicht 10 angeordnete Gateelektroden 11 kann das Halbleiterbauelement gesteuert werden.
Auch in dem Randgebiet 2 sind Ladungskompensationsgebiete 6 in die n-leitende Schicht 5 eingebettet. Zur Erhöhung seiner Durchbruchspannung weist das Halbleiterbauelement einen Randabschluss mit einem im Vergleich zum Raster der Ladungskompensationsbereiche 6 im aktiven Zellbereich 1 dichteren Raster aus Ladungskompensationsbereichen 6 auf, der den Avalanchedurchbruch aus dem Randgebiet 2 in den aktiven Zellbereich 1 verlegt. In dem Randgebiet 2 können zur Erhöhung der Durchbruchspannung zusätzlich weitere Strukturen wie Feldplatten 12 und/oder Schutzringe 14 vorgesehen sein.
In der Querschnittsansicht gemäß 1 ist erkennbar, dass der Randabschluss ein dichtes Raster an Ladungskompensationsbereichen 6 umfasst. In dieser Ansicht ist jedoch nicht erkennbar, dass dieses Raster für die Richtungen parallel und senkrecht zum Rand 17 unterschiedlich ist.
Dies ist jedoch in der Draufsicht gemäß den 2 bis 4 erkennbar.
2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Randabschlusses. Im Randgebiet 2 sind in die n-leitende Schicht 5 p-leitende Ladungskompensationsbereiche 6 eingebettet, die in dieser Ausführungsform die Form von Säulen mit im Wesentlichen rundem Querschnitt haben. In der Richtung 19 senkrecht zum Rand 17 haben die Ladungskompensationsgebiete 6 einen Abstand a zu ihren nächsten Nachbarn, während sie in der Richtung 20 parallel zum Rand einen Abstand b zu ihren nächsten Nachbarn haben. Dabei gilt b > a.
Eine ganz ähnliche Anordnung ist in 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die Ladungskompensationsbereiche 6 die Form von Säulen mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt.
4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 3, bei der zwischen den einzelnen Ladungskompensationssäulen 6 schwach p-leitende Brücken 18 angeordnet sind. Solange die Brücken 18 nicht vollständig ausgeräumt sind, wird das Gebiet der n-leitenden Schicht 5 zwischen den durch die Brücken 18 verbundenen Ladungskompensationsbereichen 6 nicht nur von einer, sondern von beiden Seiten in der Richtung 19 ausgeräumt. Die Brücken 18 können dabei auch als Variation of Lateral Doping-Gebiete ausgebildet sein, d. h. ihre Dotierung kann entlang der Richtung 19 zum Rand 17 einen Gradienten aufweisen.
Sind die Brücken 18 vollständig ausgeräumt, erfolgt das Ausräumen des n-leitenden Schicht 5 wieder nur von einer Seite her, weshalb auch hier das Raster der Ladungskompensationsgebiete in der Richtung 19 senkrecht zum Rand 17 enger gewählt wurde als in der Richtung 20 parallel zum Rand 17.
Bezugszeichenliste

1: aktiver Zellbereich
2: Randgebiet
3: Substrat
4: n-leitende Schicht
5: weitere n-leitende Schicht
6: p-leitende Ladungskompensationsbereiche
7: Wanne
8: Sourcezone
9: Oberseite
10: Isolierschicht
11: Gateelektrode
12: Feldplatte
13: Sourcekontakt
14: Schutzring
15: Rückseite
16: Drainkontakt
17: Rand
18: Brücke
19: Richtung senkrecht zum Rand
20: Richtung parallel zum Rand
21: Halbleiterkörper
22: Driftstrecke
a: Abstand in einer Richtung senkrecht zum Rand
b: Abstand in einer Richtung parallel zum Rand

Claims

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der einen aktiven Zellenbereich (1) aufweist, der von einem Randgebiet (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps umgeben ist und einen Rand (17) aufweist, wobei in das Randgebiet (2) Ladungskompensationsbereiche (6) eines zweiten Leitfähigkeitstyps eingebettet sind, die sich von einer Oberseite (9) des Halbleiterbauelements vertikal in den Halbleiterkörper hinein erstrecken und derart angeordnet sind, dass die Oberseiten der Ladungskompensationsbereiche auf der Oberseite (9) des Halbleiterbauelements Gitterpunkte eines orthogonalen Rechteckgitters bilden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anzahl N_s der Ladungsträger, die in einem durch zwei in einer horizontalen Richtung senkrecht zum Rand (19) benachbarte Ladungskompensationsbereiche (6) eingeschlossenen Volumen V_s vorhandenen sind, und für die Anzahl N_p der Ladungsträger, die in einem durch zwei in einer horizontalen Richtung (20) parallel zum Rand benachbarte Ladungskompensationsbereiche eingeschlossenen Volumen V_p vorhandenen sind, N_p > N_s gilt.
Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der einen aktiven Zellenbereich (1) und ein Randgebiet (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einem Rand (17) aufweist, wobei das Randgebiet (2) in Richtung (19) senkrecht zum Rand (17) zwischen Rand (17) und dem aktiven Zellenbereich (1) liegt, in das Randgebiet (2) Ladungskompensationsbereiche eines zweiten Leitfähigkeitstyps eingebettet sind, die sich von einer Oberseite (9) des Halbleiterbauelements vertikal in den Halbleiterkörper hinein erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationsbereiche (6) in dem Randgebiet (2) derart angeordnet sind, dass ihre Oberseiten auf der Oberseite des Halbleiterbauelements Gitterpunkte eines orthogonalen Rechteckgitters bilden, wobei die Abstände zwischen zwei benachbarten Ladungskompensationsbereichen (6) in einer horizontalen Richtung parallel zum Rand (17) größer sind als die Abstände zwischen zwei benachbarten Ladungskompensationsbereichen (6) in einer horizontalen Richtung senkrecht zum Rand (17).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationsbereiche (6) Säulen mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationsbereiche (6) Säulen mit im Wesentlichen rundem Querschnitt sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Ladungskompensationsbereiche (6) in vertikaler Richtung konstant ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Ladungskompensationsbereiche (6) in vertikaler Richtung variiert.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Randgebietes (2) weitere Strukturen wie Feldringe oder Feldplatten angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement ein vertikales Halbleiterbauelement ist.