DE102006055151A1

DE102006055151A1 - Halbleiterbauelement mit Halbleiterzone sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006055151A1
Application number: DE102006055151A
Authority: DE
Inventors: Elmar Dr. Falk; Franz Dr. Hirler
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-23
Also published as: DE102006055151B4

Abstract

Ein Halbleiterbauelement weist ein Halbleitersubstrat (8) vom ersten Leitungstyp; zumindest ein erstes Halbleitergebiet (1) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet ist; zumindest ein zweites Halbleitergebiet (2) vom zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet und vom ersten Halbleitergebiet (1) beabstandet ist; und eine ausräumbare Halbleiterzone (6) vom zweiten Leitungstyp auf, welche sich zumindest vom ersten bis zum zweiten Halbleitergebiet erstreckt.

Description

HINTERGRUND
Um die Gefahr von elektrischen Durchbrüchen bei hochsperrenden Bauelementen wie beispielsweise Leistungsdioden oder Leistungshalbleitern abzumildern, wurden für planare pn-Übergänge mit inhomogenen Randbereichen Lösungsansätze entwickelt, um das elektrische Feld möglichst gleichmäßig innerhalb des Randbereichs abzubauen. Man spricht daher bei solchen Anordnungen auch von einem "Randabschluss" oder einer "Randstruktur".
Einer dieser Lösungsansätze sieht so genannte "Feldringe" vor. Zusätzliche Feldringe führen zu einer Spannungsaufteilung über dem Randbereich und daher zu einer erhöhten Spannungsfestigkeit des Bauteils.
Weitere Lösungsansätze sehen unter anderem Feldplatten, vorgelagerte Zonen (JTE, Junction Termination Extension; VLD, Variation of Lateral Doping), das RESURF-Prinzip (Reduced Surface Field), floatende Metallringe über dem Halbleiter und verschiedene Arten von Passivierungsschichten, beispielsweise α-Si, SIPOS (Semi-Insulating Polysilicon) und DLC (Diamond Like Carbon), vor.
Häufig werden für hochsperrende Bauelemente floatende Feldringe, kontaktiert mit ein- oder mehrstufigen Feldplatten eingesetzt. Solche Randabschlüsse haben jedoch einen hohen Flächenbedarf. Außerdem verbleiben an den Ecken des pn-Übergangs, beispielsweise am Rand einer p-Wanne, und an jedem Feldring elektrische Feldüberhöhungen. Diese treten bereits bei statischer Sperrbelastung auf und verstärken sich teilweise noch dramatisch beim dynamischen Abschalten des Bauelements. Durch mehrstufige Feldplatten lassen sich Feldüberhöhungen im Halbleitersubstrat bis zu einem gewissen Grad abschwächen. Allerdings treten dabei an den Feldplattenkanten Streufelder auf, die sowohl in dielektrischen Schichten auf dem Halbleitersubstrat als auch im Halbleiter selbst zu zusätzlichen Feldspitzen führen können. Um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen, müssen Länge und Abstand der jeweiligen Feldplatten richtig dimensioniert werden, was relativ aufwändig ist. Auch bei optimaler Dimensionierung kann mit dieser Art von Randabschluss nicht die volle Volumendurchbruchspannung erreichen werden. Dabei bedeutet Volumendurchbruchsspannung die Durchbruchsspannung des Bauelements im Innenbereich, wo der pn-Übergang eben ist.
Halbleiterbauelemente sind beispielsweise aus DE 100 01 868 , DE 10 2004 007 196 , DE 10 2004 013 405 , DE 10 2004 040 523 , DE 10 2004 057 792 , DE 103 39 488 , US 6 472 722 , US 2002/0149052 und US 2006/0051923 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Ausführungsbeispiel wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt. Das Halbleiterbauelement weist ein Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp; zumindest ein erstes Halbleitergebiet vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat angeordnet ist; zumindest ein zweites Halbleitergebiet vom zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat angeordnet und vom ersten Halbleitergebiet beabstandet ist; und eine ausräumbare Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp auf, welche sich zumindest vom ersten bis zum zweiten Halbleitergebiet erstreckt.
Durch die ausräumbare Halbleiterzone werden Feldüberhöhungen am ersten und zweiten Halbleitergebiet wirksam abgeschwächt. Weiterhin können bei schnellen Einschaltvorgängen über die ausräumbare Halbleiterzone Ladungsträger vom zweiten Halbleitergebiet abfließen, so dass erheblich weniger freie Ladungsträger im zweiten Halbleitergebiet verbleiben und daher dort nicht zu Feldspitzen beitragen können. Darüber hinaus gestattet das Halbleiterbauelement den Einsatz von vergleichsweise einfach strukturierten Feldplatten, so dass auf aufwendig dimensionierte Feldplatten oder sogar auf Feldplatten insgesamt verzichtet werden kann. Dadurch vereinfacht sich erheblich die Prozessführung zur Herstellung des Halbleiterbauelements, wodurch sich Kosten einsparen lassen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den anhängenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen beschrieben, aus denen sich weitere Vorteile und Modifikationen ergeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombination eines Ausführungsbeispiels mit Merkmalen und Merkmalkombinationen eines anderen Ausführungsbeispiels zu kombinieren.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem ersten und einem zweiten Halbleitergebiet und einer ausräumbaren Halbleiterzone.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem ersten und einem zweiten Halbleitergebiet, einer vergrabenen ausräumbaren Halbleiterzone und einem vierten Halbleitergebiet, das einen Kanalstopper bildet.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem ersten, zweiten und dritten Halbleitergebiet und einer ausräumbaren Halbleiterzone an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines lateralen Halbleiterbauelements mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Halbleitergebiet und einer ausräumbaren Halbleiterzone, welche das erste, zweite und dritte Halbleitergebiet miteinander verbindet.
5 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels.
6 zeigt die Wirkungsweise der ausräumbaren Halbleiterzone anhand eines Ausführungsbeispiels mit einem ersten, zweiten und dritten Halbleitergebiet und einer ausräumbaren Halbleiterzone, die das erste, zweite und dritte Halbleitersubstrat miteinander verbindet.
7 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Modellstruktur eines lateralen Halbleiterbauelements, die für Simulationen verwendet wurde.
8 zeigt eine Simulation der Potentialverteilung der Modellstruktur mit einer ausräumbaren Halbleiterzone an der Oberfläche des Halbleitersubstrats.
9 zeigt eine Simulation der Potentialverteilung der Modellstruktur mit einer vergrabenen ausräumbaren Halbleiterzone.
10 zeigt eine Prinzipdarstellung der Feldverteilung über einem ebenen pn-Übergang.
11 zeigt die Ausdehnung der Verarmungszone im Randbereich eines planaren pn-Übergangs.
12A bis 12C zeigen einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend sollen einige Ausführungsbeispiele erläutert werden. Dabei sind gleiche strukturelle Merkmale in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zur Verbesserung der Sperreigenschaften von pn-Übergängen und insbesondere zur Verbesserung der Durchbruchseigenschaften von Leistungshalbleitern im Randbereich von planaren pn-Übergängen ist eine ausräumbare Halbleiterzone vorgesehen. Zum besseren Verständnis wird zunächst auf 1 verwiesen, die einen Randbereich 20 eines Halbleitersubstrats 8 zeigt. Das Halbleitersubstrat 8 weist einen Rand 16 auf, der die äußere Kante des Halbleitersubstrats 8 bildet. Das Halbleitersubstrat 8 erstreckt sich lateral und hat in lateraler Richtung eine erheblich größere Ausdehnung als in vertikaler Richtung (Dickenrichtung). Beispielsweise ist das Halbleitersubstrat 8 eine dünne Kristallscheibe, die durch geeignete Trennverfahren aus einem Halbleiterwafer ausgeschnitten wurde.
Ein Innenbereich 18 ist vom Rand 16 beabstandet. Zwischen dem Innenbereich 18 und dem Rand 16 erstreckt sich der Randbereich 20. Die Ausdehnung des Innenbereichs 18 wird in etwa durch eine zum Rand 20 hin weisende Kante 38 eines ersten Halbleitergebiets 1 definiert. Bei dem ersten Halbleitergebiet 1 handelt es sich beispielsweise um einen Haupt- oder Lastübergang eines Leistungshalbleiters. Dieser Haupt- oder Lastübergang hat eine im Vergleich zum Randbereich 20 erheblich größere laterale Ausdehnung. In 1 ist zum besseren Verständnis lediglich ein äußerer Teilausschnitt des Halbleitersubstrats 8 dargestellt. Das Halbleitersubstrat 8 und damit auch das erste Halbleitergebiet 1 erstrecken sich in 1 noch weiter nach links.
Das erste Halbleitergebiet 1 bildet zusammen mit dem Halbleitersubstrat 8 zumindest in einem Teilabschnitt einen vertikalen pn-Übergang. Der vertikale pn-Übergang, d.h. die Grenzfläche zwischen erstem Halbleitergebiet 1 und Halbleitersubstrat 8, erstreckt sich im wesentlichen parallel zur lateralen Erstreckung des Halbleitersubstrats. Am Rand des ersten Halbleitergebiets 1 ist dagegen die Grenzfläche zwischen erstem Halbleitergebiet 1 und Halbleitersubstrat 8 gekrümmt. Der pn-Übergang ist dort nicht mehr vertikal, sondern dessen Ausrichtung ändert sich lokal.
Im Halbleitersubstrat 8 ist eine Halbleiterzone 6 angeordnet, die sich vom ersten Halbleitergebiet 1 zumindest bis zu einem zweiten Halbleitergebiet 2 erstreckt. Der Deutlichkeit wegen, ist die Halbleiterzone 6 gestrichelt dargestellt. Das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 sind lateral voneinander beabstandet, d.h. sie berühren sich nicht, und erstrecken sich von einer ersten Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 aus in vertikaler Richtung in das Halbleitersubstrat 8 bis zu einer gewissen Tiefe. Das erste und zweite Halbleitersubstrat 1, 2 sind demnach im Halbleitersubstrat 8 an dessen erster Oberfläche 10 angeordnet. Der ersten Oberfläche 10 gegenüberliegend weist das Halbleitersubstrat 8 eine zweite Oberfläche 22 auf. Die erste Oberfläche 10 wird häufig auch als Hauptfläche des Halbleitersubstrats 8 bezeichnet, da das Halbleiterbauelement im wesentlich an dieser Oberfläche aufgebaut wird. Die erste und zweite Oberfläche 10, 22 des Halbleitersubstrats 8 liegen parallel zu dessen lateraler Erstreckung. Das erste Halbleitergebiet 1 hat entlang einer Linie, die in lateraler Erstreckung des Halbleitersubstrats 8 verläuft, eine größere Ausdehnung als das zweite Halbleitergebiet 2. Die laterale Ausdehnung des zweiten Halbleitergebiets 2 liegt etwa zwischen 3 μm und 50 μm. Diese Ausdehnung hängt auch von der Art und Weise der Herstellung ab. Die laterale Ausdehnung des ersten Halbleitergebiets kann bei Leistungshalbleitern dagegen bis zu mehreren Zentimetern betragen. Die lateral Ausdehnung ist auch von der zu schaltenden Stromstärke abhängig, da hohe Ströme entsprechend größere Flächen benötigen.
Das zweite Halbleitergebiet 2 bildet im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise einen Feldring oder eine Feldzone, die beispielsweise in Draufsicht auf die erste Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 um das erste Halbleitergebiet 1 verläuft. Das zweite Halbleitergebiet 2 bildet dann einen geschlossenen Ring um das erste Halbleitergebiet 1. Zwischen Rand 16 und erstem Halbleitergebiet 1 ist daher umlaufend um das erste Halbleitergebiet 1 das zweite Halbleitergebiet 2 angeordnet. Damit ist auch der Innenbereich 18 vollständig vom Randbereich 20 umgeben. Das zweite Halbleitergebiet 2 hat die Funktion, die elektrischen Verhältnisse am äußeren Rand des ersten Halbleitergebiets 1 zu verbessern.
Typischerweise sind das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 hochdotierte Gebiete im Vergleich zum eher schwach dotierten Halbleitersubstrat 8. Das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 kann beispielsweise eine mittlere Störstellenkonzentration von etwa 10¹⁶/cm³ aufweisen. Diese Störstellenkonzentration wird an der Oberfläche des Halbleitersubstrats erreicht und nimmt mit der Tiefe ab. Typischerweise liegt die Störstellenkonzentration des ersten und zweiten Halbleitergebiets 1, 2 an der Oberfläche etwa zwischen 10¹⁵/cm³ und 10¹⁹/cm³. Im Gegensatz dazu ist das Halbleitersubstrat 8 schwach dotiert und weist eine Störstellenkonzentration von etwa 10¹²/cm³ bis etwa 10¹⁵/cm³ auf. Das Halbleitersubstrat 8 ist dabei vom ersten Leitungstyp, hingegen sind das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp.
Die Halbleiterzone 6, die vom zweiten Leitungstyp ist, weist dagegen eine geringe Störstellenkonzentration auf, so dass die Halbleiterzone 6 ausgeräumt wird, wenn der pn-Lastübergang zwischen erstem Halbleitergebiet 1 und Halbleitersubstrat 8 in Sperrrichtung betrieben wird. Unter ausräumbarer Halbleiterzone wird ein Halbleitergebiet verstanden, das eine Ladungsträgermenge an Störstellen (Störstellenladung) aufweist, die im wesentlichen gleich oder kleiner als die Durchbruchsladung ist. Die Ladungsträgermenge und die Durchbruchsladung werden dabei als Dosis angegeben, d.h. sie haben die Einheit Ladung/Fläche. Die Durchbruchsladung ist über die Poisson-Gleichung mit der kritischen Durchbruchsfeldstärke verknüpft, die für jedes Halbleitermaterial einen typischen Wert aufweist, der noch zusätzlich von der Störstellenkonzentration abhängt. Konkret wird dies im Zusammenhang mit 10 erläutert.
Typischerweise weist die Halbleiterzone 6 eine Störstellenkonzentration (Einheit pro Volumeneinheit) auf, die um einen Faktor von gleich oder größer 10², gleich oder größer 10³ oder sogar gleich oder größer 10⁴ geringer ist als die Störstellenkonzentration des ersten oder zweiten Halbleitergebiets 1, 2. Günstig ist, wenn die Halbleiterzone 6 eine um den Faktor 10³ bis 10⁴ geringere Störstellenkonzentration als das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 hat. Die Halbleiterzone 6 ist dann um diesen Faktor schwächer dotiert. Dadurch soll erreicht werden, dass die Halbleiterzone 6 beim Betreiben des pn-Übergangs in Sperrrichtung vollständig ausgeräumt wird. Im Gegensatz dazu werden das erste und zweite Halbleitergebiet 1 und 2 nicht völlig ausgeräumt. Dazu ist deren Störstellenkonzentration zu hoch. Weiterhin hat die Halbleiterzone 6 in vertikaler Richtung typischerweise nur eine geringe Ausdehnung. Bevorzugt ist die vertikale Ausdehnung der Halbleiterzone 6 geringer als die vertikale Ausdehnung des ersten und zweiten Halbleitergebiets 1, 2. Beispielsweise kann die vertikale Ausdehnung der Halbleiterzone 6 etwa 5 μm betragen. Ein bevorzugter Bereich für die vertikale Ausdehnung der Halbleiterzone 6 liegt zwischen 2 um und 10 μm. Das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 erstrecken sich ausgehend von der ersten Oberfläche 10 anwendungsabhängig bis in eine Tiefe von etwa 3-50 μm. Dabei erstrecken sich die Halbleitergebiete bei höheren Spannungsklassen tiefer in des Halbleitersubstrat als bei kleineren Spannungsklassen. Die vertikale Ausdehnung von Halbleitergebieten 1, 2 und Halbleiterzone 6 wird beispielsweise zum einen durch die Implantationsbedingungen und zum anderen durch den sich daran anschließenden Temperaturschritt bestimmt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Halbleiterzone 6 vergraben, d.h. sie ist von der ersten Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 beabstandet. Somit verbleibt zwischen der Halbleiterzone 6 und der ersten Oberfläche 10 ein Bereich des Halbleitersubstrats 8 vom ersten Leitungstyp. Das Maximum der Störstellenkonzentration der Halbleiterzone 6 kann dabei etwa auf Höhe des vertikalen pn-Übergangs des ersten Halbleitergebiets 1 liegen, d.h. beispielsweise in einer Tiefe von etwa 5 μm.
Wie in 2 gezeigt, kann auf der ersten Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 oberhalb des ersten und zweiten Halbleitergebiets 1, 2 jeweils eine optionale Feldplatte 12, 14 angeordnet sein, die mit dem jeweiligen Halbleitergebiet 1, 2 elektrisch leitend verbunden ist. Die Feldplatten 12, 14 dienen der zusätzlichen Abschwächung von elektrischen Feldüberhöhungen im Halbleitersubstrat.
Die Feldplatten 12, 14 können ein- oder mehrstufig sein. Die Feldplatte 12 ist mit dem ersten Halbleitergebiet 1 elektrisch leitend verbunden und liegt daher auf dem elektrischen Potential, das an das erste Halbleitergebiet 1 extern angelegt ist. Im Gegensatz dazu wird das zweite Halbleitergebiet 2 nicht mit einem festen externen Potential beaufschlagt wird. Das zweite Halbleitergebiet 2 ist beispielsweise ein floatender Feldring. Daher floatet (befindet sich nicht auf festem elektrischen Potential) auch die mit dem Halbleitergebiet 2 elektrisch leitend verbundene Feldplatte 14.
Feldüberhöhungen am ersten und zweiten Halbleitergebiet 1, 2 lassen sich auch durch mehrstufige Feldplatten abschwächen. Allerdings ist es mit Feldplatten nur bedingt möglich, elektrische Feldüberhöhungen am Rand des ersten und zweiten Halbleitergebiets 1, 2 gleichmäßig zu vermeiden, die bei statischer Sperrbelastung auftreten und sich teilweise noch dramatisch beim dynamischen Abschalten des Halbleiterbauelements verstärken. Die Wirksamkeit von Feldplatten hängt dabei wesentlich von deren geometrischer Ausgestaltung und insbesondere deren Abstand von der Oberfläche des Halbleitersubstrats ab. Dabei gilt, je näher die Feldplatte an der Oberfläche liegt, umso wirksamer wird zwar das Feldmaximum an den Ecken der Halbleitergebiete (Hauptgebiet und an Feldringe) abgeschwächt, umso größer wird aber die Feldspitze im Halbleiter unter der Kante am Ende der Feldplatte. Daher muss die Länge und Abstand der jeweiligen Feldplatte richtig dimensioniert werden.
Weiterhin ist in 2 ein viertes Halbleitergebiet 4 gezeigt, das vom zweiten Halbleitergebiet 2 beabstandet ist. Das vierte Halbleitergebiet 4 ist im Halbleitersubstrat 8 vom ersten Halbleitergebiet 1 aus gesehen hinter dem zweiten Halbleitergebiet 2 angeordnet. Das vierte Halbleitergebiet 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel vom ersten Leitungstyp und erstreckt sich von der Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 in vertikaler Richtung bis zu einer gewissen Tiefe. Bei diesem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das vierte Halbleitergebiet 4 beispielsweise einen sogenannten Kanalstopper. Derartige Kanalstopper werden im Randbereich 20 und insbesondere am Rand 16 von Halbleitersubstraten 8 vorgesehen, um die Ausdehnung der Raumladungszone gegen den Rand 16 zu begrenzen. Typischerweise ist das vierte Halbleitergebiet 4 im Vergleich zum Halbleitersubstrat 8 hoch dotiert.
Zusätzlich ist in 2 eine Kontaktschicht 24 dargestellt, die auf der zweiten Oberfläche 22 des Halbleitersubstrats 8 angeordnet ist. Mittels der Kontaktschicht 24 kann das Halbleitersubstrat 8 kontaktiert werden. Bei beispielsweise hochsperrenden Dioden bildet die Kontaktschicht 24 die Kathode, während als Anode ebenfalls eine Kontaktschicht aufgebracht wird, die mit der Feldplatte 12 und dem ersten Halbleitergebiet 1 (Hauptgebiet) elektrisch leitend verbunden ist. Eine zwischen Anode und Kathode angelegte Spannung führt dann je nach deren Polarität zu einem Sperren oder Durchlassen des pn-Übergangs zwischen erstem Halbleitergebiet 1 und Halbleitersubstrat 8.
Eine erhebliche Verbesserung der Sperreigenschaften eines Halbleiterbauelements wird durch die ausräumbare Halbleiterzone 6 erreicht. In 2 ist zum besseren Verständnis beispielhaft die Dotierung der einzelnen Strukturen im Halbleitersubstrat 8 dargestellt. Dabei bedeutet "n" ein schwach dotiertes n-leitendes Gebiet, "n⁺" ein stark dotiertes n-leitendes Gebiet, "p⁺" ein stark dotiertes p-leitendes Gebiet und "p^–" ein schwach dotiertes p-leitendes Gebiet. P-leitend bedeutet, dass die Majoritätsladungsträger Löcher sind während dies bei n-leitenden Gebieten Elektronen sind. Das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 sind p⁺-dotiert, die Halbleiterzone 6 ist p^–-dotiert, das Halbleitersubstrat ist n^–-dotiert und das vierte Halbleitergebiet 4 (hier Kanalstopper) ist n⁺-dotiert. Durch die Halbleiterzone 6 werden zusätzliche Ladungen und insbesondere feste Störstellen in das Halbleitersubstrat 8 eingebracht. Damit stehen mehr feste Störstellen zur Verfügung, an denen Feldlinien enden, die sonst bis zum ersten oder zweiten Halbleitergebiet 1, 2 reichen würden und dort zu lokalen elektrischen Feldstärkenspitzen führen. Dadurch wird die Spannungsfestigkeit im Randbereich des ersten Halbleitergebiets 1 verbessert, wodurch sich insgesamt die effektiv erreichbare Sperrspannung des in 2 gezeigten Diodenübergangs erheblich erhöht. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele auch für in einem p-Halbleitersubstrat eingebettete n-Halbleitergebiete gelten, d.h. "n" und "p" können entsprechend ausgetauscht werden.
Im Sperrfall ist die Halbleiterzone 6 bei genügend hoher Sperrspannung ausgeräumt, d.h. es stehen dort keine freien Majoritätsladungsträger zum Ladungstransport zur Verfügung. Die Halbleiterzone hat dann einen hohen elektrischen Widerstand. Daher sind das erste und zweite Halbleitergebiet 1, 2 im Sperrfall elektrisch gegeneinander isoliert. Dadurch kann das zweite Halbleitergebiet 2 gegenüber dem auf festem Potential befindlichen ersten Halbleitergebiet 1 floaten.
Wie sich gezeigt hat, hat die Halbleiterzone 6 einen weiteren Vorteil. Beim schnellen Einschalten des Halbleiterbauelements bzw. des pn-Übergangs können Ladungen auf jeder Feldplatte verbleiben, da der pn-Übergang des zweiten Halbleitergebiets 2 beim Einschalten kurzzeitig sperrgepolt ist. Dadurch können ebenso sehr hohe elektrische Feldspitzen, jedoch an den zum ersten Halbleitergebiet 1 weisenden innenseitigen Kanten 17 der Feldplatten 14 auftreten. Derartige Feldspitzen sind insbesondere in Dielektrikas (hier nicht dargestellt) ausgeprägt, die auf der ersten Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 angeordnet sind. Zusätzlich können die elektrischen Feldspitzen auch im Halbleitersubstrat 8 auftreten, was zu einer Zerstörung des pn-Übergangs und damit des Halbleiterbauelements führen kann. Der negative Einfluss solcher Feldspitzen an zum ersten Halbleitergebiet 1 weisenden Kanten wurde in konventionellen Halbleiterbauelementen nicht ausreichend berücksichtigt. Die Halbleiterzone 6 verhindert dagegen solche elektrischen Feldspitzen.
Im Durchlassfall bzw. beim Umschalten von Sperr- in Durchlassrichtung füllt sich die Halbleiterzone 6 zumindest teilweise wieder mit Majoritätsladungsträgern, so dass eine zumindest teilweise elektrisch leitende Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Halbleitergebiet 1 und 2 hergestellt wird. Dadurch können Ladungen, die beispielsweise im Sperrfall auf dem zweiten Halbleitergebiet 2 verblieben sind und von dort nicht abfließen konnten, zum ersten Halbleitergebiet 1 fließen.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Vergleich zur 2 ein drittes Halbleitergebiet 3 vom zweiten Leitungstyp lateral zum zweiten Halbleitergebiet 2 beabstandet angeordnet, so dass das zweite Halbleitergebiet 2 zwischen dem ersten und dritten Halbleitergebiet liegt. Die zweiten und dritten Halbleitergebiete 2, 3 bilden hier Feldringe, die um das erste Halbleitergebiet 1 verlaufen. Dabei kann der laterale Abstand zwischen dem zweiten und dritten Halbleitergebiet 2, 3 größer als der laterale Abstand zwischen dem ersten und zweiten Halbleitergebiet 1, 2 sein. Dadurch wird die Wirkung der Feldringe verbessert. Ein Kanalstopper ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt, kann jedoch bei Bedarf hinzugefügt werden. Die ausräumbare Halbleiterzone 6 ist hier beispielsweise an der ersten Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 10 angeordnet und verbindet das erste Halbleitergebiet 1 mit dem zweiten und dritten Halbleitergebiet 2, 3. Wie sich gezeigt hat, gestattet diese Variante ebenfalls, elektrische Feldspitzen wirksam zu vermeiden. Gegebenenfalls können noch weitere Feldringe, beispielsweise 20 bis 50 Feldringe, vorgesehen werden.
1 bis 3 zeigen vertikale Halbleiterbauelemente. Bei diesen ist insbesondere das erste Halbleitergebiet 1 mit einem Anschluss (z.B. Anode) sowie die zweite Oberfläche 22 (Rückseite) mit einem Anschluss bzw. Kontaktschicht 24 (z.B. Kathode) verbunden, um diese jeweils elektrisch zu kontaktieren.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines lateralen Halbleiterbauelements, beispielsweise eines Leistungstransistors, gezeigt, bei dem die ausräumbare Halbleiterzone 6, die hier wieder eine vergrabene Zone ist, das erste Halbleitergebiet 1 mit dem zweiten Halbleitergebiet 2 und dem optionalen dritten Halbleitergebiet 3 verbindet. Beabstandet zum zweiten und dritten Halbleitergebiet 2, 3 und zur Halbleiterzone 6 ist ein viertes Halbleitergebiet 4 angeordnet. Erstes, zweites und optionales drittes Halbleitergebiet 1 bis 3 sowie die Halbleiterzone 6 sind vom zweiten Leitungstyp im Gegensatz zum Halbleitersubstrat 8 und dem vierten Halbleitergebiet 4, die vom ersten Leitungstyp sind. Typischerweise ist das vierte Halbleitergebiet 4 im Gegensatz zum Halbleitersubstrat 8 hoch dotiert und stellt in diesem Ausführungsbeispiel eine Anschlusszone zum Kontaktieren einer Driftzone 15 dar. Bei lateralen Leistungstransistoren bildet das vierte Halbleitersubstrat 4 typischerweise Drain. Das vierte Halbleitergebiet 4 ist hier insbesondere mit einem Anschluss D (Drainanschluss) zum Kontaktieren des vierten Halbleitergebiets 4 verbunden, wobei der Anschluss D an der Oberfläche des vierten Halbleitergebiets 4 angeordnet ist. Zwischen der dem vierten Halbleitergebiet 4 zugewandten rechten Kante 38 des ersten Halbleitergebiets 1 und der dem ersten Halbleitergebiet 1 zugewandten linke Kante 43 des vierten Halbleitergebiets 4 erstreckt sich die Driftzone 15, die in diesem Ausführungsbeispiel ein lightly doped drain-Gebiet darstellt, in das das zweite und dritte Halbleitergebiet 2, 3 als Feldringe oder Feldzonen eingebettet sind. Es versteht sich von selbst, dass anwendungsabhängig mehr als ein Feldring bzw. Feldzone (zweites Halbleitergebiet), beispielsweise zwei Feldringe bzw. Feldzonen (zweites und drittes Halbleitergebiet) oder noch mehr Feldzonen bzw. Feldringe, in der Driftzone 15 eingebettet sein können.
Ein fünftes Halbleitergebiet 5 vom ersten Leitungstyp ist im ersten Halbleitergebiet 1 angeordnet und bildet dort Source. Insbesondere ist hier das fünfte Halbleitergebiet 5 mit einem Anschluss S (Sourceanschluss) zum Kontaktieren des fünften Halbleitergebiets 5 verbunden, wobei der Anschluss S an der Oberfläche des fünften Halbleitergebiets 5 angeordnet ist. Das fünfte Halbleitergebiet 5 ist von der zum vierten Halbleitergebiet 4 weisenden Kante 38 des ersten Halbleitergebiets 1, an welcher die Driftzone 15 beginnt, beabstandet. Damit stellt das erste Halbleitergebiet 1 einen Kanalbereich 37 (Bodygebiet) zwischen dem fünften Halbleitergebiet 5 und der Driftzone 15 dar, der über eine Gateelektrode 27, die oberhalb des Kanalbereichs 37 des ersten Halbleitergebiets 1 angeordnet ist, geschaltet werden kann. Das erste Halbleitergebiet 1 weist in dieser Ausführungsform keinen Anschluss auf. Die Driftzone 15 dient zum Abbau der hohen Spannung zwischen Source und Drain. Typischerweise ist das fünfte Halbleitergebiet im Vergleich zum Halbleitersubstrat 8 und dem ersten Halbleitergebiet 1 hoch dotiert.
Das Halbleitersubstrat 8 weist unterhalb eines ersten Halbleiterbereich 8a vom ersten Leitungstyp einen zweiten Halbleiterbereichs 8b vom zweiten Leitungstyp auf. Der zweite Halbleiterbereich 8b ist zur zweiten Oberfläche 22 des Halbleitersubstrats 8 gewandt und dient dem Abbau der Drainspannung in vertikaler Richtung. Das erste bis fünfte Halbleitergebiet 1 bi 5 sind an der ersten Oberfläche 10 im ersten Halbleiterbereich 8a eingebettet. Die Halbleiterzone 6 ist dagegen bevorzugt vollständig im ersten Halbleiterbereich 8a vergraben. Der zweite Halbleiterbereich 8b stellt hier einen tief vergraben Halbleiterbereich dar, der unterhalb der Halbleiterzone 6 und den Halbleitergebieten 1 bis 5 angeordnet und zu diesen beabstandet ist. Halbleiterbereich 8a ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel n- oder n^–-dotiert und Halbleiterbereich 8b p^–-dotiert. Alternativ kann der Halbleiterbereich 8b auch n^–-dotiert sein. Halbleitersubstrate mit vertikal übereinander angeordneten komplementären Halbleiterbereichen lassen sich beispielsweise durch Epitaxie herstellen.
Die in 4 gezeigte Struktur stellt damit ein laterales Halbleiterbauelement mit einem lateralen pn-Übergang dar. Im Gegensatz zu einem vertikalen Halbleiterbauelement sind bei lateralen Halbleiterbauelementen das vierte und fünfte Halbleitergebiet 4, 5 mit jeweils einem Anschluss versehen, das erste Halbleitergebiet 1 dagegen nicht.
In 4 nicht dargestellt, lediglich an einer Stelle stellvertretend mit einer punktierten Linie, sind Feldplatten, die in Gräben angeordnet sind. Solche Gräben zeigt 5, welche eine Draufsicht auf die erste Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 darstellt. Zur Veranschaulichung der räumlichen Anordnung wird ein Bezugskoordinatensystem gewählt, wobei die erste Oberfläche 10 hier in der XZ-Ebene liegt. Diese Ebene zeigt 5. 4 zeigt dagegen einen Schnitt in XY-Ebene. Senkrecht zur XZ-Ebene, d.h. in XY-Ebene, erstreckt sich ein Graben 29 in –Y-Richtung. Der Graben 29 reicht in X-Richtung bis fast an das vierte Halbleitersubstrat 4 (Drain) heran. Im Graben 29 sind Feldplatten 12 und 14 dargestellt, die sich parallel zu den Grabenwänden in die Tiefe des Halbleitersubstrats 8 erstrecken. Die Feldplatte 12 ist dabei mit dem ersten Halbleitergebiet 1 und je eine Feldplatte 14 mit dem zweiten bzw. dritten Halbleitergebiet 2, 3 verbunden. Die Feldplatten 12, 14 im Graben 29 unterstützen das Ausräumen der vergrabenen Halbleiterzone 6 unter Sperrbedingungen. Die Feldplatte 12 kann auch direkt mit dem Source- oder Gatepotential verbunden sein.
Die in 5 gezeigte Struktur ist spiegelsymmetrisch bezüglich der Ebene 31, die hier parallel zur XY-Ebene liegt. Zum besseren Verständnis ist in 5 die in 4 gezeigte Schnittebene entlang von AA' eingezeichnet.
Die Feldplatten 12, 14 sind jeweils mit einer Kontaktstruktur 45 mit den jeweils zugehörigen Halbleitergebieten 1 bis 3 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktstrukturen 45 sind dabei nur im oberflächennahen Bereich angeordnet. Dagegen erstrecken sich die Feldplatten 12, 14 erheblich weiter in die Tiefe des Grabens 29.
Bei dem in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das erste Halbleitergebiet 1 p-dotiert, das zweite und dritte Halbleitergebiet 2, 3 p⁺- oder p-dotiert, das vierte und fünfte Halbleitergebiet 4 und 5 n⁺-dotiert, die Halbleiterzone 6 p^–-dotiert und der erste Halbleiterbereich 8a n^–-dotiert. Der zweite Halbleiterbereich 8b ist p^–-dotiert.
Die Wirkungsweise der ausräumbaren Halbleiterzone 6 soll ohne sich einschränken zu wollen nachfolgend am Beispiel eines Randabschlusses eines vertikalen pn-Übergangs erläutert werden. Dazu dient 6, die den Randbereich einer Leistungsdiode zeigt. Eine Anodenelektrode 28 ist auf der ersten Oberfläche 10 des Halbleitersubstrats 8 im Bereich des ersten, hier p⁺-dotierten, Halbleitergebiets 1 angeordnet. Gegenüberliegend auf der zweiten Oberfläche 22 des Halbleitersubstrats 8 ist eine Kathode 30 mit dem hier n dotierten Halbleitersubstrat 8 verbunden. Zwischen Anode 28 und Kathode 30 liegt eine Sperrspannung an. Das zweite und dritte Halbleitergebiet 2, 3 sind wie das erste Halbleitergebiet 1 p⁺-dotiert. Die Halbleiterzone 6 ist hier wieder vergraben und im Vergleich zu den Halbleitergebieten 1 bis 3 schwach p-dotiert. Das erste Halbleitergebiet 1 stellt hier wieder einen pn-Lastübergang dar, während das zweite und dritte Halbleitergebiet 2, 3 jeweils einen Feldring bildet. Die Ausdehnung der Verarmungs- oder Raumladungszone 32 im Sperrfall im n^–-Halbleitersubstrat 8 und im ersten, zweiten und dritten Halbleitergebiet 1 bis 3 ist punktiert dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass sich die Raumladungszone 32 erheblich weiter im schwach dotierten Halbleitersubstrat 8 als in den stark dotierten Halbleitergebieten 1 bis 3 ausdehnt. Der Grund liegt darin, dass die Ladungsbilanz in der Raumladungszone 32 immer Null sein muss, d.h. dass immer genauso viele positive wie negative feste Ladungen vorhanden sein müssen. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn sich die Raumladungszone 32 tiefer in das schwächer dotierte Halbleitersubstrat 8 ausdehnt.
Wie in 6 angedeutet, ist die Raumladungszone 32 unsymmetrisch bezüglich der linken Kanten 41 und der rechten Kanten 39 des zweiten und dritten Halbleitergebiets 2, 3. Dies liegt daran, dass an den linken Kanten 41 der pn-Übergang lokal in Durchlassrichtung liegt und daher die Raumladungszone 32 dort bis an die jeweils linke Kante 41 heranreicht.
Die elektrischen Feldlinien beginnen und enden an festen Ladungen, welche durch die Störstellen bereitgestellt werden. Im n^–-Halbleitersubstrat 8 sind es feste positive Ladungen oder Rümpfe 34 und in den p-dotierten Halbleitergebieten 1 bis 3 und der p-dotierten Halbleiterzone 6 feste negative Ladungen oder Rümpfe 36. Ein Teil der Feldlinien, die durch Pfeile dargestellt sind, endet an festen negativen Ladungen 36, die durch die Halbleiterzone 6 bereitgestellt werden. Dadurch wird die Feldstärke insbesondere an Kanten 38, 39 der ersten bis dritten Halbleitergebiete 1 bis 3 vermindert und dort auftretende elektrische Feldüberhöhungen vermieden.
Die elektrischen Potentiale der Feldringe, d.h. des zweiten und dritten Halbleitergebiets 2 und 3, stellen sich von selbst auf Werte ein, die zwischen den Potentialen von Anode 28 und Kathode 30 liegen. Liegt beispielsweise Anode 28 auf 0 V und Kathode auf 300 V so liegt das zweite Halbleitergebiet 2 beispielsweise bei etwa 100 V und das dritte Halbleitergebiet beispielsweise bei 200 V. Elektrisch mit den zweiten und dritten Halbleitergebieten 2 und 3 verbundene optionale Feldplatten befinden sich dann auf dem gleichen elektrischen Potential wie die mit ihnen verbundenen Halbleitergebiete. Dadurch wird ein gleichmäßiger Spannungsabfall insbesondere entlang der ersten Oberfläche 10 erreicht. Insgesamt lässt sich die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von elektrischen Durchbrüchen an Kanten 38, 39 und in gekrümmten Bereichen der pn-Übergange erheblich verringern und die effektive Durchbruchsspannung deutlich erhöhen. Im Ergebnis ergibt sich eine deutliche Verbesserung des Sperrverhaltens der Bauelemente. Die erreichbaren Durchbruchsspannungen sind höher als 75-80% der Volumendurchbruchsspannung und können bis an Werte nahe der Volumendurchbruchsspannung heranreichen.
Besonders deutlich wird die Verbesserung im Vergleich zu 11 ersichtlich, die einen planaren pn-Übergang ohne Randabschluss zeigt. An Kante 38 tritt eine starke Feldüberhöhung auf, die dort zu einem elektrischen Durchbruch weit unterhalb der Volumendurchbruchsspannung führt.
7 zeigt eine dreidimensionale Modellstruktur eines lateralen pn-Übergangs für die Simulation der elektrischen Verhältnisse. Diese Modellstruktur ähnelt dem in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel. Zu sehen sind links das Bodygebiet (erste Halbleitergebiet) 40 und rechts Drain 50. Dazwischen liegt das zu Drain 50 und Bodygebiet 40 schwach komplementär dotierte Halbleitersubstrat 42, in dem Feldringe 46 eingebracht sind. Die Feldringe 46 weisen Vertiefungen 48 auf, die mit einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Polysilizium, gefüllt sind und den Kontakt zu Feldplatten 44 herstellen. Die Feldplatten 44 liegen dabei parallel zu vertikalen Oberflächen von Grabenwänden im Halbleitersubstrat 42, die sich in die Tiefe des Halbleitersubstrats erstrecken. Die Hauptfläche 10 des Halbleitersubstrats liegt hier wieder in XZ_Ebene und der Graben erstreckt sich in –YX-Richtung. Die in 7 gezeigte YX-Ebene entspricht etwa der Symmetrieebene 31 in 5.
Die Simulationsergebnisse sind an Hand von Schnittebenen entlang der Symmetrieebene in den 8 und 9 gezeigt. Die jeweils der Simulation zu Grunde gelegte Struktur ist oberhalb der Ergebnisse, welche den Verlauf der elektrischen Potentiale zeigen, dargestellt. Die der Simulation zu Grunde gelegten Dotierkonzentrationen wurden jeweils auf maximale Durchbruchsspannung optimiert. In 8 ist die ausräumbare Halbleiterzone 52 an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 42 angeordnet. Im Gegensatz dazu ist die ausräumbare Halbleiterzone 52 in 9 vergraben. Aus dem Vergleich der Simulationsergebnisse ergibt sich, dass eine vergrabene Halbleiterzone 52 im Vergleich zu einer an der Oberfläche angeordneten Halbleiterzone Feldstärkeüberhöhungen effektiver vermeiden kann. Zu erkennen ist dies insbesondere beim Vergleich des Potentialverlaufs in der rechten oberen Ecke. Bei der an der Oberfläche angeordneten Halbleiterzone 52 verdichten sich die Potentiallinien zu Drain 50 hin. Bei der vergrabenen Halbleiterzone 52 sind die Potentiallinien dagegen deutlich weniger dicht und entlang der Oberfläche des Halbleitersubstrats 42 eher äquidistant. Dies bedeutet, dass das elektrische Feld dort gleichmäßig abfällt. Feldstärkespitzen werden so vermieden. Durch die vergrabene Halbleiterzone 52 konnte eine Verbesserung der Sperrfähigkeit beispielsweise von 181 V auf 275 V, also um 52 % erreicht werden. Die Wirkung der ausräumbaren Halbleiterzone ist daher insbesondere bei Leistungshalbleitern von großem Vorteil, die für hohe Sperrspannungen ausgelegt sind.
Der Begriff Durchbruchsladung soll nachfolgend mit Bezug auf 10 erläutert werden. 10 zeigt im oberen Teil den schematisch angedeuteten typischen Verlauf des elektrischen Feldes über einen ebenen, abrupten pn-Übergang bei der Durchbruchsspannung. Im unteren Teil der 10 ist dazu ein pn-Übergang 54 dargestellt, der von einem stark p-dotiertem Gebiet (p⁺) 56 und einem schwach n-dotiertem Gebiet (n^–) 58 gebildet wird. Auf Grund der unterschiedlichen Dotierung hat die Verarmungszone, deren Ränder mit 59 bezeichnet sind, eine unterschiedliche Ausdehnung in den beiden Gebieten 56 und 58. Mit w_D ist die Ausdehnung im n^–-Gebiet 58 und mit w_A die Ausdehnung im p⁺-Gebiet 56 bezeichnet. Die Störstellenkonzentration ist dagegen mit N_A für das p⁺-Gebiet 56 und mit N_D für das n^–-Gebiet 58 angegeben. Aus der Poisson-Gleichung folgt NA·wA = ND·wD (1)
Aus der Poisson-Gleichung folgt weiterhin
so dass sich die Durchbruchsladung N_D·w_D zu ND·wD = krit·ε/q (3)ergibt, wobei E_krit die kritische Feldstärke ist, bei der ein Volumendurchbruch auftritt, ε das Produkt aus absoluter und relativer Dielektrizitätskonstante und q die Elementarladung ist.
Die kritische Feldstärke E_krit variiert mit der Störstellenkonzentration (Grunddotierung des Halbleitersubstrats) und nimmt mit abnehmender Grunddotierung ab. Die Grunddotierung bestimmt damit die Spannungsklasse. So ist beispielsweise die Grunddotierung für eine Spannungsklasse von 1200 V etwa 6·10¹³/cm³. E_krit ist dann etwa 230 kV/cm. Bei einer Spannungsklasse von etwa 10 kV ist die Grunddotierung entsprechend geringer, so dass dann E_krit etwa 165 kV/cm ist und die Durchbruchsladung etwa 1,1·10¹²/cm² beträgt. Bei einer Spannungsklasse von etwa 100 V liegt dagegen E_krit etwa zwischen 350 kV/cm und 400 kV/cm und die Durchbruchsladung beträgt etwa 2,4·10¹²/cm². Allgemein gilt, das für hochsperrende Siliziumbauelemente E_krit etwa 250 kV/cm oder kleiner ist, so dass sich damit eine Durchbruchsladung von etwa 1,6·10¹² cm^–2 oder kleiner ergibt. Für Niederspannungsbauelemente liegt E_krit deutlich höher, so dass die Durchbruchsladung bei einigen 10¹²/cm² liegen kann. Daher ist bei Siliziumhalbleiterbauelementen bevorzugt, wenn die Durchbruchsladung in der Halbleiterzone 6 kleiner als 5·10¹²/cm² und insbesondere kleiner als 3·10¹²/cm² ist. Andere Halbleitermaterialien weisen andere kritische Feldstärken auf. Damit sichergestellt ist, dass die ausräumbare Halbleiterzone im Sperrfall vollständig von freien Ladungsträgern geräumt werden kann, wird daher bei auf Siliziumhalbleitern basierenden Halbleiterbauelementen eine Ladungsträgerkonzentration von weniger als der Durchbruchsladung eingestellt. Dies lässt sich leicht durch die für die Herstellung der ausräumbaren Halbleiterzone verwendeten Implantationsdosis einstellen. Es versteht sich von selbst, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf Siliziumhalbleiter beschränkt sind, sondern auch auf alle anderen Halbleitermaterialien wie etwa Germanium, Siliziumcarbid oder III-V-Halbleiter anwendbar sind.
Sofern die Störstellenkonzentration N räumlich inhomogen ist, ergibt sich die Durchbruchladung aus einer eindimensionalen Integration über N(x).
Bei den vorstehend beschriebenen Halbleiterbauelementen handelt es sich insbesondere um Leistungshalbleiterbauelemente, die sowohl als vertikale als auch als laterale Bauelemente ausgeführt sein können.
Nachfolgend soll mit Bezug auf 12A bis 12C ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements beschrieben werden.
In 12A wird ein Halbleitersubstrat 60 vom ersten Leitungstyp, beispielsweise ein schwach n-dotiertes Siliziumsubstrat, mit einer ersten Oberfläche 61 bereitgestellt. Mittels einer ersten Implantationsmaske 62 werden Dotierstoffe, beispielsweise Bor, vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp in die erste Oberfläche 61 mit einer ersten Implantationsdosis 68 von beispielsweise etwa 10¹⁴/cm² eingebracht. Dabei werden die Dotierstoffe bis zu einer gewissen Tiefe implantiert. Durch einen nachfolgenden Ausheilschritt wird ein erstes Dotierungsgebiet 64 und ein dazu lateral beabstandetes zweites Dotierungsgebiet 66 geschaffen. Der Ausheilschritt dient zum Ausheilen von Kristallgitterschäden, die durch die Implantation hervorgerufen wurden, und dem Eintreiben und Aktivieren der Dotierstoffe. Die laterale Ausdehnung der Dotierungsgebiete 64 und 66 hängt zum einen von der Struktur der ersten Implantationsmaske 62 und zum anderen von der Dauer und der Temperatur des Ausheilschritts ab. In Abhängigkeit von der gewählten Temperatur können die Dotierungsstoffe unterschiedlich weit in das Halbleitersubstrat 60 eindiffundieren und vergrößern dadurch sowohl die laterale als auch die vertikale Ausdehnung der Dotierungsgebiete 64 und 66. So kann ein anfängliches Dotierungsgebiet mit einer lateralen Ausdehnung von etwa 10-15 μm durch den Ausheilschritt auf etwa 20-50 μm ausgedehnt werden.
Anschließend folgt, wie in 12B gezeigt, die Implantation von Dotierstoffen vom zweiten Leitungstyp, beispielsweise Bor, mit einer zweiten Implantationsdosis 72 unter Verwendung einer zweiten Implantationsmaske 70. Dadurch wird eine vergrabene Halbleiterzone 74 gebildet. Zu diesem Zweck ist die verwendete Implantationsenergie höher als die zur Bildung des ersten und zweiten Halbleitergebiets 64 und 66 verwendete Implantationsenergie, so dass die Dotierstoffe tiefer in das Halbleitersubstrat 60 bis etwa auf Höhe des pn-Übergangs zwischen den Halbleitergebieten 64, 66 und dem Halbleitersubstrat 60 implantiert werden. Die zweite Implantationsdosis 72 ist erheblich geringer als die erste Implantationsdosis 68, beispielsweise um einen Faktor gleich oder größer 10² oder gleich oder größer 10³. Die zweite Implantationsdosis 72 liegt bei Siliziumsubstraten unterhalb der Durchbruchsladung, bevorzugt unterhalb von 10¹²/cm². Ein Ausheilschritt kann sich anschließen.
Abschließend können noch, wie in 12C gezeigt, auf der ersten Oberfläche 61 Feldplatten 76 gebildet werden, die mit dem ersten und zweiten Halbleitergebiet 64, 66 elektrisch leitend verbunden sind. Außerdem kann auf einer der ersten Oberfläche 61 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 78 des Halbleitersubstrats 60 eine Kontaktschicht 80 aufgebracht werden.
Abweichend vom vorstehend beschriebenen Prozessverlauf kann auch zuerst die vergrabene Halbleiterzone 74 und dann das erste und zweite Halbleitergebiet 64, 66 gebildet werden. Außerdem ist es möglich, das erste und zweite Halbleitergebiet nacheinander zu schaffen. Ebenso kann lediglich ein einziger Ausheilschritt vorgesehen sein, mit dem das erste und zweite Halbleitergebiet 64, 66 und die vergrabene Halbleiterzone 74 ausgeheilt werden. Darüber hinaus kann das erste und zweite Halbleitergebiet 64, 66 auch durch Ausdiffusion von Dotierstoffen aus einer auf die erste Oberfläche 61 abgeschiedenen hochdotierten Schicht hergestellt werden.

1: erstes Halbleitergebiet/Lastübergang/Bodygebiet
2: zweites Halbleitergebiet/Feldring
2: Feldring
3: drittes Halbleitergebiet/Feldring
4: viertes Halbleitergebiet/Kanalstopper/Drain
5: fünftes Halbleitergebiet/Source
6: Halbleiterzone
8: Halbleitsubstrat
8a: n-Halbleitersubstrat
8b: p-Halbleitersubstrat
10: erste Oberfläche des Halbleitersubstrats
12: Feldplatte
14: Feldplatte
15: Driftzone (LDD)
16: Rand
17: Innenkante der Feldplatte 14
18: Innenbereich
20: Randbereich
22: zweite Oberfläche des Halbleitersubstrats
24: Kontaktschicht
26: Feldplatte
27: Gateelektrode
28: Anode
29: Graben
30: Kathode
31: Spiegelachse
32: Raumladungszone/Verarmungszone
34: feste positive Ladungen
36: feste negative Ladungen
37: Kanalbereich
38: Kante
39: Kante
40: Bodygebiet (erstes Halbleitergebiet)
41: Innenkante
42: Halbleitersubstrat
43: Kante des vierten Halbleitergebiets
44: Feldplatte
45: Kontaktstruktur
46: Feldring
48: Vertiefung
50: Drain
52: Halbleiterzone
54: pn-Übergang
56: p-Gebiet
58: n-Gebiet
59: Verarmungszone/Raumladungszone
60: Halbleitersubstrat
61: erste Oberfläche
62: erste Implantationsmaske
64: erstes Halbleitergebiet
66: zweites Halbleitergebiet
68: erste Implantationsdosis
70: zweite Implantationsmaske
72: zweite Implantationsdosis
74: Halbleiterzone
76: Feldplatte
78: zweite Oberfläche
80: Kontaktschicht

Claims

Halbleiterbauelement aufweisend: – ein Halbleitersubstrat (8) vom ersten Leitungstyp; – zumindest ein erstes Halbleitergebiet (1) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet ist; – zumindest ein zweites Halbleitergebiet (2) vom zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet und vom ersten Halbleitergebiet (1) beabstandet ist; und – eine ausräumbare Halbleiterzone (6) vom zweiten Leitungstyp, welche sich zumindest vom ersten bis zum zweiten Halbleitergebiet erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Halbleiterzone (6) eine vergrabene Halbleiterzone ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleiterzone (6) eine geringere Störstellenladung und/oder Störstellenkonzentration als das erste und zweite Halbleitergebiet (1, 2) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, wobei die Störstellenkonzentration in der Halbleiterzone (6) um wenigstens einen Faktor 10² und insbesondere um wenigstens einen Faktor 10³ kleiner als die Störstellenkonzentration des zweiten Halbleitergebiets (2) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (8) eine erste Oberfläche (10) aufweist und das erste und zweite Halbleitergebiet (1, 2) jeweils an der ersten Oberfläche (10) angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Halbleitergebiet (1) zusammen mit dem Halbleitersubstrat (8) zumindest in einem Teilabschnitt einen vertikalen pn-Übergang bildet, der sich im wesentlichen parallel zur lateralen Erstreckung des Halbleitersubstrats (8) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, wobei das Maximum der Störstellenkonzentration der Halbleiterzone (6) etwa auf Höhe des vertikalen pn-Übergangs des ersten Halbleitergebiets (1) liegt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei entlang einer Linie, die in lateraler Erstreckung des Halbleitersubstrats (8) verläuft, das erste Halbleitergebiet (1) eine größere Ausdehnung als das zweite Halbleitergebiet (2) hat.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend zumindest ein drittes Halbleitergebiet (3) vom zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) so angeordnet ist, dass das zweite Halbleitergebiet (2) zwischen erstem und drittem Halbleitergebiet (1, 3) angeordnet und von diesen jeweils beabstandet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, wobei sich die Halbleiterzone (6) zumindest vom ersten bis zum dritten Halbleitergebiet (1, 3) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin aufweisend zumindest ein viertes Halbleitergebiet (4) vom ersten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) vom ersten Halbleitergebiet (1) aus gesehen hinter dem zweiten bzw. dritten Halbleitergebiet (2 bzw. 3) angeordnet und vom zweiten bzw. drittem Halbleitergebiet (2 bzw. 3) beabstandet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, wobei die Halbleiterzone (6) vom vierten Halbleitergebiet (4) beabstandet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein fünftes Halbleitergebiet (5) vom ersten Leitungstyp im ersten Halbleitergebiet (1) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine Driftzone (15) zwischen dem ersten und vierten Halbleitergebiet (1, 4) angeordnet ist, in welcher das zweite bzw. dritte Halbleitergebiet (2, 3) angeordnet ist bzw. sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei das fünfte Halbleitergebiet (5) von der Driftzone (15) beabstandet ist, so dass ein Kanalbereich (37) im ersten Halbleitergebiet (1) zwischen fünftem Halbleitergebiet (5) und Driftzone (15) verbleibt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, wobei oberhalb des Kanalbereichs (37) eine Gateelektrode (27) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf dem Halbleitersubstrat (8) zumindest eine Feldplatte (14) angeordnet ist, die mit dem zweiten Halbleitergebiet (2) verbunden ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Halbleiterzone (6) eine Störstellenladung kleiner als als die Durchbruchsladung für das Halbleitersubstrat ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (8) eine der ersten Oberfläche (10) gegenüberliegende zweite Oberfläche (22) aufweist, an welcher eine Kontaktschicht (24) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement aufweisend: – ein Halbleitersubstrat (8) vom ersten Leitungstyp mit einem Innenbereich (18) und einem Rand (16) sowie einem zwischen Innenbereich (18) und Rand (16) liegenden Randbereich (20); – zumindest ein erstes Halbleitergebiet (1) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet ist und sich in Richtung der lateralen Erstreckung des Halbleitersubstrats (8) bis an den Randbereich (20) erstreckt; – ein zweites Halbleitergebiet (2) vom zweiten Leitungstyp, das im Randbereich (20) des Halbleitersubstrats (8) angeordnet und vom ersten Halbleitergebiet (1) beabstandet ist; – eine ausräumbare Halbleiterzone (6) vom zweiten Leitungstyp, welche das erste und das zweite Halbleitergebiet (1, 2) miteinander verbindet.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 20, wobei die Halbleiterzone (6) eine geringere Störstellenladung und/oder Störstellenkonzentration als das erste und zweite Halbleitergebiet (1, 2) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 21, wobei die Störstellenkonzentration in der Halbleiterzone (6) um wenigstens einen Faktor 10² und insbesondere um wenigstens einen Faktor 10³ kleiner als die Störstellenkonzentration des ersten und zweiten Halbleitergebiets (1, 2) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Halbleitersubstrat (8) eine erste Oberfläche (10) aufweist, an welcher das erste und das zweite Halbleitergebiet (1, 2) angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, wobei das Halbleitersubstrat (8) eine der ersten Oberfläche (10) gegenüberliegende zweite Oberfläche (22) aufweist, an welcher eine Kontaktschicht (24) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement aufweisend: – ein Halbleitersubstrat (8) vom ersten Leitungstyp; – zumindest ein erstes Halbleitergebiet (1) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet ist; – zumindest ein viertes Halbleitergebiet (4) vom ersten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) angeordnet und vom ersten Halbleitergebiet (1) beabstandet ist; – zumindest ein zweites Halbleitergebiet (2) vom zweiten Leitungstyp, das im Halbleitersubstrat (8) zwischen erstem und viertem Halbleitergebiet (1, 4) angeordnet und von diesen jeweils beabstandet ist; und – eine ausräumbare Halbleiterzone (6) vom zweiten Leitungstyp, welche sich zumindest vom ersten Halbleitergebiet (1) bis zum zweiten Halbleitergebiet (2) erstreckt, wobei – die Halbleiterzone (6) vom vierten Halbleitergebiet (4) beabstandet ist, so dass ein Halbleiterbereich (15) vom ersten Leitungstyp zwischen der Halbleiterzone (6) und dem dritten Halbleitergebiet (3) verbleibt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 25, wobei die Störstellenkonzentration und/oder die Störstellenladung in der Halbleiterzone (6) kleiner als die Störstellenkonzentration und/oder die Störstellenladung des ersten und zweiten Halbleitergebiets (1, 2) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 25 oder 26, wobei das Halbleitersubstrat (8) eine erste Oberfläche (10) aufweist, an welcher das erste, zweite und vierte Halbleitergebiet (1, 2, 4) angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, wobei die Halbleiterzone (6) von der ersten Oberfläche (6) beabstandet angeordnet ist, so dass zwischen der Halbleiterzone (6) und der ersten Oberfläche (10) wenigstens ein Halbleiterbereich vom ersten Leitungstyp verbleibt.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei ein fünftes Halbleitergebiet (5) vom ersten Leitungstyp im ersten Halbleitergebiet (1) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, aufweisend: – Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (60) vom ersten Leitungstyp; – Einbringen von Störstellen mit einer ersten Implantationsdosis (68) zur Bildung eines ersten und eines zweiten Halbleitergebiets (64, 66) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp; und – Einbringen von Störstellen mit einer zweiten Implantationsdosis (72) zur Bildung einer Halbleiterzone (74) vom zweiten Leitungstyp im Halbleitersubstrat (60), wobei die zweite Implantationsdosis (72) geringer als die erste Implantationsdosis (68) ist, wobei – das erste und zweite Halbleitergebiet (64, 66) so gebildet werden, dass sie voneinander beabstandet angeordnet sind; und – die Halbleiterzone (74) so gebildet wird, dass sie das erste Halbleitergebiet (64) mit dem zweiten Halbleitergebiet (66) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die zweite Implantationsdosis (72) um einen Faktor von wenigstens 10², bevorzugt um einen Faktor von wenigstens 10 kleiner als die erste Implantationsdosis (68) ist.
Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, wobei die zweite Implantationsdosis kleiner als die Durchbruchsladung für das Halbleitersubstrat ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei das Halbleitersubstrat (60) eine erste Oberfläche (61) hat und das erste und zweite Halbleitergebiet (64, 66) im Halbleitersubstrat (60) an dessen erster Oberfläche (61) lateral zueinander beabstandet gebildet werden.