DE102008054094A1

DE102008054094A1 - Halbleiterbauelement mit einer integrierten Widerstandsstruktur

Info

Publication number: DE102008054094A1
Application number: DE102008054094A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Uwe Kellner-Werdehausen; Reiner Dr. Barthelmess; Dieter Prof. Dr. Silber; Eswar Chukaluri
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-01
Also published as: DE102008054094B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer integrierten Widerstandsstruktur, die drei aufeinander folgend angeordnete Abschnitte umfasst. Von den beiden äußeren dieser Abschnitte weist der eine eine Netto-Dotierstoffkonzentration auf, die höher ist als die des mittleren Abschnittes, der andere eine, die geringer ist als die des mittleren Abschnittes.
Eine Widerstandsstruktur kann auch als Emitterkurzschluss ausgebildet sein. Hierbei weist der Halbleiterkörper (1) eine Emitterzone (5, 8) eines ersten Leitungstyps und eine an diese angrenzende Zone (6, 7) eines zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps auf. Ausgehend von der an die Emitterzone (5, 8) angrenzenden Zone (6, 7) durchdringen eine oder mehrere von Kurzschlusszonen (69, 79) vom zweiten Leitungstyp die Emitterzone (5, 8). Jede Kurzschlusszone (69, 79) umfasst einen ersten Abschnitt (66, 76), sowie einen zweiten Abschnitt (67, 77), der eine schwächere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der erste Abschnitt (66, 67) und der zwischen dem ersten Abschnitt (66, 67) und der an die Emitterzone (5, 8) angrenzenden Zone (6, 7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer integrierten Widerstandsstruktur. Bei einer solchen Widerstandsstruktur kann es sich beispielsweise um einen Lateralwiderstand eines Thyristors handeln. Derartige Lateralwiderstände werden üblicherweise dazu eingesetzt, die Stromdichte in kritischen Bereichen des Bauelements zu begrenzen. So ist es beispielsweise bekannt, bei lichtzündbaren Thyristoren mit Zündstufenstruktur (Amplifying-Gate-Struktur) den Strom der innersten, zündempfindlichsten Zündstufe insbesondere im Fall hoher Stromanstiegsgeschwindigkeiten sowie im Falle einer hohen Stoßstrombelastung zu begrenzen und auf diese Weise eine Zerstörung der Zündstufe und damit des Thyristors zu vermeiden. Dazu ist es erforderlich, dass der integrierte Widerstand insbesondere während des Einschaltvorgangs eine möglichst hohe Spannung aufnehmen kann.
Allerdings ist die Spannungsaufnahme eines herkömmlichen integrierten Lateralwiderstands unter typischen Einschaltbedingungen im Allgemeinen dadurch begrenzt, dass durch Ladungsträger, welche im Bereich des Lateralwiderstandes injiziert werden, eine so hohe positive Raumladungskonzentration entsteht, dass es aufgrund der sich daraus ergebenden Verteilung der elektrischen Feldstärke zu einer Ladungsträgermultiplikation im Bereich des Lateralwiderstandes kommen kann. Die dadurch entstehenden freien Elektronen können die Verteilung des elektrischen Feldes so modifizieren, dass es zur Ausbildung eines negativ differentiellen Widerstandes der transienten Strom-Spannungs-Kennlinie des Lateralwiderstandes kommt. Dies führt im Allgemeinen zu einer Stromfilamentierung, in deren Folge der Lateralwiderstand zerstört werden kann.
Ein anderes Beispiel für eine integrierte Widerstandsstruktur sind so genannte Emitterkurzschlüsse bei einem Thyristor oder einer Diode. Bei solchen Emitterkurzschlüssen handelt es sich um komplementär zu einem Emittergebiet dotierte Halbleiterzonen, die sich ausgehend von einem an das Emittergebiet angrenzenden Halbleitergebiet in das Emittergebiet hinein reichen. Derartige Emitterkurzschlüsse können anodenseitig und/oder kathodenseitig vorgesehen sein. Der Zweck solcher Emitterkurzschlüsse besteht darin, die Festigkeit des Thyristors gegen starke Spannungsanstiege (”dU/dt-Festigkeit”) zu verbessern. Allerdings behindern solche Emitterkurzschlüsse die Ausbreitung der Zündfront während des Zündvorganges. Außerdem erhöhen sie die Durchlassspannung des Thyristors.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement bereitzustellen, das hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten und hohen Stoßstrombelastungen standhält, und das eine ausreichende dU/dt-Festigkeit sowie eine niedrige Durchlassspannung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch Halbleiterbauelemente gemäß den Patentansprüchen 1 und 50 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 umfasst einen Halbleiterkörper, in dem eine Halbleiterzone mit einem einheitlichen Leitungstyp ausgebildet ist. Diese Halbleiterzone weist eine Widerstandsstruktur mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt auf, sowie einen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordneten dritten Abschnitt. Der zweite Abschnitt, der dritte Abschnitt und der erste Abschnitt sind in einer ersten Richtung in der genannten Reihenfolge aufeinander folgend angeordnet weisen denselben Leitungstyp auf. Der dritte Abschnitt besitzt eine Netto-Dotierstoffkonzentration, die kleiner ist als die Netto- Dotierstoffkonzentration des ersten Abschnitts und größer als die Netto-Dotierstoffkonzentration des zweiten Abschnitts.
Der Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration der Widerstandsstruktur in der ersten Richtung ist so gewählt, dass der erste Abschnitt ein erstes lokales Maximum mit einer ersten Netto-Dotierstoffkonzentration N₁ und der zweiten Abschnitt ein lokales Minimum mit einer zweiten Netto-Dotierstoffkonzentration N₂ umfasst.
Bei einem Thyristor, in dessen Halbleiterkörper in einer zur ersten Richtung senkrechten vertikalen Richtung ausgehend von einer Rückseite hin zu einer Vorderseite aufeinander folgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Hauptemitter angeordnet sind, kann es sich bei einer solchen Widerstandsstruktur um einen Lateralwiderstand handeln, der sich in der p-dotierten Basis zwischen einer Zündeinrichtung des Thyristors und dem Hauptemitter erstreckt.
Der dritte Abschnitt ist dem ersten Abschnitt in Richtung der Zündeinrichtung vorgelagert und wird daher nachfolgend auch als ”vorgelagerter Abschnitt” bezeichnet. Als Netto-Dotierstoffkonzentration eines Halbleitergebietes ist eine Differenz zwischen der absoluten Akzeptorkonzentration und der absoluten Donatorkonzentration dieses Halbleitergebietes zu verstehen, d. h. p-dotierte Halbleitergebiet weisen einen Akzeptorüberschuss, n-dotierte Halbleitergebiete einen Donatorüberschuss auf.
Der Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration in der ersten Richtung weist ein in dem ersten Abschnitt befindliches erstes lokales Maximum mit einer Netto-Dotierstoffkonzentration N₁ und ein in dem zweiten Abschnitt befindliches erstes lokales Minimum mit einer Netto-Dotierstoffkonzentration N₂ auf. Die Netto-Dotierstoffkonzentration kann an jeder Stelle des dritten Abschnitts vorzugsweise einen Wert aufweisen, der größer ist als 0,25·N₁ + 0,75·N₂ und kleiner als 0,75·N₁ + 0,25·N₂. Weiterhin kann die Netto-Dotierstoffkonzentration der Widerstandsstruktur in der ersten Richtung einen Gradienten aufweisen, dessen Betrag an zumindest einer Stelle des dritten Abschnitts vorzugsweise kleiner ist als 10¹⁶ cm^–3/μm.
Optional kann das Halbleiterbauelement auch eine oder mehrere Inseln vom Leitungstyp der Emitterzone aufweisen, die in jeder zur vertikalen Richtung senkrechten lateralen Einrichtung vom ersten Abschnitt umschlossen ist.
Durch den vorgelagerten Abschnitt und – sofern vorgesehen – durch die wenigstens eine Insel vom Leitungstyp der Emitterzone wird eine durch freie Majoritätsladungsträger gebildete Raumladungskonzentration im äußeren Randbereich der Widerstandsstruktur abgesenkt oder sogar schwach invertiert, was der Ausbildung einer unerwünschten Ladungsträgermultiplikation entgegenwirkt.
Das Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch umfasst einen Halbleiterkörper mit einer Emitterzone eines ersten Leitungstyps und mit einer daran angrenzenden Zone eines zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps. Die an die Emitterzone angrenzende Zone umfasst eine oder mehrere Kurzschlusszonen vom zweiten Leitungstyp, die die Emitterzone ausgehend von der an die Emitterzone angrenzenden Zone durchdringen. Die Kurzschlusszonen umfassen jeweils einen ersten Abschnitt, sowie einen zweiten Abschnitt, der eine schwächere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der erste Abschnitt und der zwischen dem ersten Abschnitt und der an die Emitterzone angrenzenden Zone angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen vertikalen Abschnitt eines Thyristors, der eine Zündeinrichtung und eine vier Zündstufen aufwei sende Zündstufenstruktur umfasst, wobei zwischen zwei benachbarten Zündstufen ein Lateralwiderstand in der p-dotierten Basis angeordnet ist, der eine Anzahl stark p-dotierter Abschnitte aufweist, sowie einen dem äußersten dieser stark p-dotierten Abschnitte zur Zündeinrichtung hin vorgelagerten Abschnitt mit gegenüber dem äußersten Abschnitt reduzierter Netto-p-Dotierstoffkonzentration,
2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 dargestellten, den Lateralwiderstand umfassenden Thyristorabschnitts 11,
3 ein Beispiel für einen Verlauf der Netto-p-Dotierstoffkonzentration in einer in 2 dargestellten, zur vertikalen Richtung senkrechten Schnittebene B-B', wobei die Netto-p-Dotierstoffkonzentration in dem vorgelagerten Abschnitt einen in Bezug auf die laterale Richtung positiven Gradienten aufweist,
4 ein Beispiel für einen Verlauf der Netto-p-Dotierstoffkonzentration entsprechend 3, bei dem die Netto-p-Dotierstoffkonzentration in dem vorgelagerten Abschnitt einen in Bezug auf die laterale Richtung negativen Gradienten aufweist,
5 ein Beispiel für einen Verlauf der Netto-p-Dotierstoffkonzentration entsprechend den 3 und 4, bei dem die Netto-p-Dotierstoffkonzentration im Bereich des vorgelagerten Abschnitts eine Horizontalstelle aufweist,
6 eine vergrößerte Ansicht des in 2 dargestellten Thyristorabschnitts 12, wobei zusätzlich auf die Vorderseite eine strukturierte Maskierungsschicht zur Herstellung eines Lateralwiderstandes ein schließlich des vorgelagerten Abschnitts aufgebracht ist,
7 ein Beispiel für einen dem Thyristorabschnitt 12 gemäß den 2 und 6 entsprechenden Thyristorabschnitt, bei dem der dem vorgelagerten Abschnitt in Richtung des Hauptemitters nächstliegende der stark p-dotierten Abschnitte eine n-dotierte Insel aufweist,
8 einen Horizontalschnitt durch den Zündstufenbereich eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Thyristors in einer in 7 dargestellten Ebene C-C', bei dem eine Anzahl von n-dotierten Inseln in lateraler Richtung voneinander beabstandet im selben der stark p-dotierten Abschnitte des Lateralwiderstandes angeordnet sind,
9 ein alternatives Beispiel für die Ausgestaltung des in den 2 und 6 dargestellten Thyristorabschnitts 12 bzw. des in 7 dargestellten Thyristorabschnitts 12', bei dem der dem vorgelagerten Abschnitt in Richtung des Hauptemitters nächstliegende der stark p-dotierten Abschnitte des Lateralwiderstands von dem vorgelagerten Abschnitt beabstandet ist,
10 einen Thyristorabschnitt entsprechend dem in 9 dargestellten Thyristorabschnitt 12'', bei dem in dem dem vorgelagerten Abschnitt in Richtung des Hauptemitters nächstliegenden der stark p-dotierten Abschnitte des Lateralwiderstands eine n-dotierte Insel angeordnet ist,
11 beispielhaft den typischen Verlauf der transienten Strom-Spannungs-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Lateralwiderstandsstruktur im Vergleich zum Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie einer herkömmlichen Widerstandsstruktur, die einen negativ differentiellen Widerstand aufweist, wobei die angegebenen Strom- und Spannungswerte je nach Thyristordesign um typisch ein bis zwei Größenordnungen variieren können.
12 Querschnitt durch einen Abschnitt eines Thyristors, der Anoden- und Kathodenkurzschlüsse aufweist,
13 einen vergrößerten Abschnitt, der einen Kathodenkurzschluss im Bereich des in 12 dargestellten Thyristors zeigt,
14 einen vergrößerten Abschnitt, der einen Anodenkurzschluss im Bereich des in 12 dargestellten Thyristors zeigt,
15 eine alternative Ausgestaltung des in den 1 und 2 dargestellten Thyristorabschnitts 11, bei der die Widerstandsstruktur mehrere stark dotierte Abschnitte aufweist, denen jeweils ein schwächer dotierter Abschnitt vom gleichen Leitungstyp vorgelagert ist, und
16 ein Beispiel für einen möglichen Verlauf der Netto-p-Dotierstoffkonzentration der in 15 gezeigten Widerstandsstruktur, wobei die Netto-p-Dotierstoffkonzentration im Bereich eines jeden der vorgelagerten Abschnitte eine Horizontalstelle aufweist.
Sofern nicht anders angegeben bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Abschnitt eines im Wesentlichen um eine Achse A-A' rotationssymmetrischen lichtzündbaren Thyristors mit Zündstufenstruktur. Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1, in dem in einer vertikalen Richtung v ausgehend von einer Rückseite 14 hin zu einer Vorderseite 13 aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter 8, eine n-dotierte Basis 7, eine p-dotierte Basis 6 und ein n-dotierter Hauptemitter 5 angeordnet sind. Auf die Rückseite 14 ist eine Anodenmetallisierung 9 aufgebracht.
Der Thyristor umfasst eine Zündeinrichtung BOD, die dadurch gebildet ist, dass sich ein Abschnitt 71 der n-dotierten Basis 7 weiter in Richtung der Vorderseite 13 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt als in den anderen Bereichen des Thyristors. Im Bereich des Abschnitts 71 weist der pn-Übergang zwischen der p-dotierten Basis 7 und einem Abschnitt 61 der p-dotierten Basis 6 eine Krümmung auf, durch die die Zündempfindlichkeit des Thyristors lokal herabgesetzt ist, so dass im Bereich der Zündeinrichtung BOD auf die Vorderseite 13 einfallendes Licht die Zündung des Thyristors auslösen kann. Die vorliegende Zündeinrichtung BOD wird auch als Durchbruchsdiode (break over diode) bezeichnet.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird nachfolgend jede zur vertikalen Richtung v senkrechte Richtung als laterale Richtung bezeichnet. Eine dieser lateralen Richtungen ist die in 1 dargestellte laterale Richtung r1. In dieser wie auch in allen möglichen anderen lateralen Richtungen von der Zündeinrichtung BOD beabstandet weist der Thyristor einen Hauptkathodenbereich HK auf, der sich flächenmäßig über den weitaus größten Bereich des Halbleiterkörpers 1 bis an oder bis nahe an dessen seitlichen Rand erstreckt. Der Hauptkathodenbereich HK umfasst den n-dotierten Hauptemitter 5 sowie eine auf die Vorderseite 13 aufgebrachte Kathodenmetallisierung 4, die den Hauptemitter 5 kontaktiert. Von diesem Hauptkathodenbereich HK ist in 1 jedoch nur ein kleiner, der Zündeinrichtung BOD zugewandter Abschnitt dargestellt.
Zwischen der Zündeinrichtung BOD und dem Hauptkathodenbereich ist eine Zündstufenstruktur mit vier Zündstufen AG1, AG2, AG3 und AG4 angeordnet. Jede dieser Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 umfasst einen n-dotierten Zündstufenemitter 51, 52, 53 bzw. 54, den eine korrespondierende, auf der Vorderseite 13 angeordnete Metallisierung 41, 42, 43 bzw. 44 kontaktiert.
Die p-dotierte Basis 6 umfasst den bereits erläuterten Abschnitt 61, sowie weitere Abschnitte 62, 63, 64 und 65. Der Abschnitt 62 ist zwischen den Abschnitten 61 und 63 angeordnet und schwächer dotiert als der Abschnitt 61. Zwischen den Abschnitten 63 und 65 ist eine Widerstandsstruktur 64 angeordnet, welcher einen Lateralwiderstand des Thyristors bildet.
Nach dem Auslösen einer Zündung des Thyristors im Bereich der Zündeinrichtung BOD werden in der lateralen Richtung r1 zeitlich aufeinanderfolgend die Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 und letztlich der gesamten Thyristor im Bereich der Hauptkathode HK gezündet. Die Zündempfindlichkeit der Zündstufen AG1, AG2, AG3 und AG4 nimmt ausgehend von der Zündeinrichtung BOD zum Hauptkathodenbereich HK hin ab. Um sicherzustellen, dass beim Zündvorgang eine Zündstufe oder mehrere Zündstufen – in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das die erste und zweite Zündstufe – nicht überlastet wird bzw. werden, ist der Lateralwiderstand 64 vorgesehen, der vor der dritten Zündstufe AG3 angeordnet ist und der den von dieser Zündstufe AG3 aufgenommenen Zündstrom begrenzt.
Ein den Lateralwiderstand 64 umfassender Abschnitt 11 des Halbleiterkörpers 1 ist in 2 vergrößert dargestellt. Der Lateralwiderstand 64 umfasst in der lateralen Richtung r1 voneinander beabstandete, stark p-dotierte Abschnitte 21, 22, 23 und 24, die eine stärkere Netto-p-Dotierstoffkonzentration aufweisen als die zwischen benachbarten der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 angeordneten Abschnitte 81, 82 bzw. 83 der p-dotierten Basis 6, und als ein Abschnitt 84 der p-dotierten Basis 6, der zwischen der Zündeinrichtung BOD und dem der Zündeinrichtung BOD nächstgelegenen 24 aller stark p- dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 des Lateralwiderstands 64 angeordnet ist.
Von allen stark p-dotierten Abschnitten 21, 22, 23 und 24 des Lateralwiderstands 64 ist der Abschnitt 21 der der dritten Zündstufe AG3 und dem n-dotierten Emitter 5 nächstgelegene Abschnitt. Diesem stark p-dotierten Abschnitt 21 ist auf der der Zündeinrichtung BOD zugewandten Seite ein p-dotierter Abschnitt 20 vorgelagert. Dieser p-dotierte Abschnitt 20 weist eine Netto-p-Dotierstoffkonzentration auf, die geringer ist als die Netto-p-Dotierstoffkonzentration des stark p-dotierten Abschnitts 21, und größer als die Netto-p-Dotierstoffkonzentration des dem Abschnitt 20 nächstgelegenen Abschnitt 81 der schwach p-dotierten Abschnitte 81, 82, 83, 84.
3 zeigt einen möglichen Verlauf der Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in einer aus 2 ersichtlichen und zur vertikalen Richtung v senkrechten Schnittebene B-B' in Abhängigkeit von der lateralen Richtung r1. Die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) weist lokale Maxima M1, M3, M5 und M7 auf, von denen jeweils eines in den stark p-dotierten Abschnitten 21, 22, 23 bzw. 24 angeordnet ist. An den lokalen Maxima M1, M3, M5 und M7 besitzt die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) die Werte N₁.
In den schwach p-dotierten Abschnitten 81, 82, 83 und 84 hingegen weist die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) lokale Minima M2, M4, M6 bzw. M8 mit dem Wert N₂ auf. Im Bereich des vorgelagerten Abschnitts 20 besitzt die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) einen Wert, der kleiner ist als der Wert N₁ im Maximum M1 des Abschnitts 21, und größer als der Wert N₂ im Bereich des dem Abschnitt 21 in Richtung der Zündeinrichtung BOD vorgelagerten Abschnitts 81. Die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) weist vorzugsweise über einen Bereich von mindestens 50% der lateralen Ausdehnung des Abschnitts 20 einen Wert auf, der größer ist als 0,25·N₁ + 0,75·N₂ und kleiner als 0,75·N₁ + 0,25·N₂, d. h. die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) liegt in der Schnittebene B-B' gemäß 2 und in der lateralen Richtung r1 an jeder Stelle des Abschnitts 20 in einem Intervall, das symmetrisch ist zum Mittelwert 0,5·(N₁ + N₂) der Netto-p-Dotierstoffkonzentrationen N₁, N₂ im Maximum M1 des Abschnitts 21 bzw. im Minimum M2 des Abschnitts 81, und das eine Intervallbreite von 0,5·(N₁ – N₂) aufweist.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, kann die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) an zumindest einer Stelle des vorgelagerten Abschnitts 20 einen positiven Gradienten ∂N_A/∂r1 aufweisen. Beispielsweise kann die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in der lateralen Richtung r1 in dem gesamten vorgelagerten Abschnitt 20 ausgehend von der der Zündeinrichtung BOD zugewandten Seite des dritten Abschnitts 20 hin zu der dem Hauptemitter 5 zugewandten Seite des dritten Abschnitts 20 monoton oder streng monoton zunehmen.
Alternativ oder zusätzlich zu einem positiven Gradienten ∂N_A/∂r1 kann die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in dem vorgelagerten Abschnitt 20 auch – bei sonst gleichen Bedingungen – zumindest eine Stelle mit einem negativen Gradienten ∂N_A/∂r1 (4) und/oder zumindest eine Stelle mit einem Gradienten ∂N_A/∂r1 gleich Null (5), d. h. mit einer Horizontalstelle, aufweisen. Der Betrag des Gradienten ∂N_A/∂r1 kann so gewählt sein, dass er an jeder Stelle des vorgelagerten Abschnitts 20 kleiner ist als ein vorgegebener Wert, z. B. kleiner als 1·10¹⁶ cm^–3/μm, kleiner als z. B. 5·10¹⁵ cm^–3/μm, oder kleiner als 1·10¹⁵ cm^–3/μm.
Die Herstellung eines Lateralwiderstandes mit einem einen Gradienten ∂N_A/∂r1 der Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) aufweisenden vorgelagerten Abschnitt 20 kann durch Einbringen von Akzeptoren in den Halbleiterkörper 1 unter Verwendung einer strukturierten Maske 15 erfolgen, die – wie in 6 dargstellt – auf die Vorderseite 13 des Halbleiterkörpers 1 aufgebracht ist. Die Strukturierung der Maske ist so gewählt, dass der Akzeptoreintrag in den Halbleiterkörper 1 in Richtung der Hauptkathode zunimmt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der mittlere Abstand benachbarter Öffnungen der Maske 15 zur Zündeinrichtung BOD hin zunimmt und/oder dass die mittlere Öffnungsfläche der Maske 15 zur Zündeinrichtung BOD hin abnimmt. Die Akzeptoren können nach dem Einbringen in den Halbleiterkörper 1 mittels eines thermischen Eintreibschrittes noch weiter in den Halbleiterkörper 1 eindiffundiert werden. Dabei unterwandern die Akzeptoren die Maske 15 in lateraler Richtung r1.
Oberhalb des vorgelagerten Abschnitts 20 besitzt die zu dessen Herstellung verwendete Maske 15 eine in der lateralen Richtung r1 zunehmende Durchlässigkeit, was bewirkt, dass der fertig gestellte Abschnitt 20 auf seiner dem Hauptemitter zugewandten Seite eine höhere Netto-p-Dotierstoffkonzentration besitzt als auf seiner der Zündeinrichtung zugewandten Seite. Im Ergebnis weist die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) im Abschnitt 20 einen positiven Gradienten ∂N_A/∂r1 auf, wie er z. B. in 3 dargestellt ist.
In entsprechender Weise lässt sich auch ein vorgelagerter Abschnitt 20 mit einem negativen Gradienten ∂N_A/∂r1 erzeugen, wie er beispielsweise in 4 gezeigt ist, indem eine Maske 15 mit einer in der lateralen Richtung r1 abnehmenden Durchlässigkeit verwendet wird.
Die in den 3 bis 5 dargestellte Länge d20 des Abschnitts 20, d. h. die Abmessung des Abschnitts 20 in der lateralen Richtung r1, kann z. B. größer oder gleich 5 μm, oder größer oder gleich der Länge d22 des dem vorgelagerten Abschnitt 20 in Richtung der Zündeinrichtung BOD nächstgelegenen Abschnitts 22 gewählt werden. Die Länge d20 des vorgelagerten Abschnitts 20 kann des Weiteren größer oder gleich sein dem Abstand t22 zwischen der Vorderseite 13 des Halbleiterkörpers 1 und der der Rückseite 14 zugewandten Seite des stark p-dotierten Abschnitts 22. Im Sinne der vorliegenden Erfindung erstrecken sich die stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 in der lateralen Richtung r1 jeweils von dem in der lateralen Richtung r1 vor dem lokalen Maximum M1, M3, M5 bzw. M7 des betreffenden stark p-dotierten Abschnitts 21, 22, 23 bzw. 24 gelegenen Wendepunkt der Netto-Dotierstoffkonzentration N(r1) bis zu dem in der lateralen Richtung r1 nach dem lokalen Maximum M1, M3, M5 bzw. M7 des betreffenden stark p-dotierten Abschnitts 21, 22, 23 bzw. 24 gelegenen Wendepunkt der Netto-Dotierstoffkonzentration N(r1).
Entsprechend erstrecken sich die schwach p-dotierten Abschnitte 81, 82, 83, 84 in der lateralen Richtung r1 jeweils von dem in der lateralen Richtung r1 vor dem lokalen Minimum M2, M4, M6 bzw. M8 des betreffenden schwach p-dotierten Abschnitts 81, 82, 83 bzw. 84 gelegenen Wendepunkt der Netto-Dotierstoffkonzentration N(r1) bis zu dem in der lateralen Richtung r1 nach dem lokalen Minimum M2, M4, M6 bzw. M8 des betreffenden schwach p-dotierten Abschnitts 81, 82, 83 bzw. 84 gelegenen Wendepunkt der Netto-Dotierstoffkonzentration N(r1).
Der vorgelagerte Abschnitt 20 erstreckt sich zwischen zwei in der lateralen Richtung r1 voneinander beabstandeten Wendepunkten der Netto-Dotierstoffkonzentration N(r1), wobei beide Wendepunkte in der lateralen Richtung r1 auf derselben Seite des lokalen Maximums M1 angeordnet sind. Die beiden Wendepunkte können in der lateralen Richtung r1 benachbart sein, so dass kein weiterer Wendepunkte der Netto-Dotierstoffkonzentration N(r1) zwischen ihnen liegt.
Anstelle oder zusätzlich zu dem vorgelagerten Abschnitt 20 kann auch eine n-dotierte Insel 30 vorgesehen sein, wie sie in 7 dargestellt ist. Die n-dotierte Insel 30 ist in jeder lateralen Richtung von dem dem Zündstufenemitter 53 und dem dem n-dotierten Hauptemitter nächstgelegenen Abschnitt 21 der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23 und 24 umgeben.
Dies wird in der Ansicht gemäß 8 deutlich, die einen Horizontalschnitt durch den Zentralbereich des Thyristors in einer in 7 dargestellten, zur vertikalen Richtung v senkrechten Schnittebene C-C' zeigt. In dieser Ansicht ist erkennbar, dass eine Anzahl n-dotierter Inseln 30 in azimutaler Richtung voneinander beabstandet in dem stark p-dotierten Abschnitt 21 angeordnet ist. Zur besseren Erkennbarkeit sind die Zündstufenemitter 51, 52, 53, 54 und die stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 unterschiedlich dicht gepunktet dargestellt. Wie aus dieser Ansicht ebenfalls hervorgeht, kann der Halbleiterkörper 1 optional zumindest im Bereich der Zündeinrichtung BOD und der Zündstufen mit Ausnahme der n-dotierten Inseln 30 rotationssymmetrisch um die durch die Zündeinrichtung BOD in der vertikalen Richtung v verlaufende, aus 1 ersichtliche Rotationsachse A-A' ausgebildet sein. Bei einem solchen rotationssymmetrischen Aufbau sind die Zündstufenemitter 51, 52, 53, 54, sowie die stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23 und 24 ringförmig aufgebaut und weisen in allen zur vertikalen Richtung v senkrechten Schnittebenen kreisringförmige Schnittflächen auf. Die n-dotierten Inseln 30 können insbesondere äquidistant voneinander beabstandet in demselben Abschnitt 21 der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 angeordnet sein.
9 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Abschnitt 12'', der bei einem Thyristor gemäß 1 anstelle des in den 2 und 6 dargestellten Abschnitts 11 bzw. 12 bzw. anstelle des in 7 dargestellten Abschnitts 12' vorgesehen sein kann. Abweichend von den Abschnitten 11 und 12 gemäß den 2 und 6 bzw. 12' gemäß 7 können der vorgelagerte Abschnitt 20 und der dem Zündstufenemitter 53 und dem n-dotierten Hauptemitter nächstgelegene Abschnitt 21 der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 des Lateralwiderstands 64 auch voneinander beabstandet sein, was beispielhaft in 9 gezeigt ist. Zwischen den Abschnitten 21 und 20 befindet sich ein schwach p-dotierter Abschnitt 80 der p-dotierten Basis 6, dessen Netto-p-Dotierstoffkonzentration kleiner ist als die Netto-p-Dotierstoffkonzentration sowohl des Abschnitts 21 als auch des diesem Abschnitt 21 vorgelagerten Abschnitts 20.
Wie weiter in 10 anhand eines dem Abschnitt 12'' gemäß 9 entsprechenden Abschnitt 12''' gezeigt ist, können in dem von dem Abschnitt 20 beabstandeten stark p-dotierten Abschnitt 21 eine oder mehrere n-dotierte Inseln 30 angeordnet und in jeder lateralen Richtung von dem stark p-dotierten Abschnitt 21 umgeben sein. Analog zu der Darstellung gemäß 8 können die n-dotierten Inseln 30 in azimutaler Richtung, beispielsweise äquidistant, voneinander beabstandet in demselben Abschnitt 21 der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 des Lateralwiderstandes angeordnet sein.
In 11 sind die transiente Strom-Spannungs-Kennlinie 92 eines erfindungsgemäßen Lateralwiderstandes und die transiente Strom-Spannungs-Kennlinie 91 eines herkömmlichen Lateralwiderstandes einander gegenübergestellt. Übersteigt bei dem herkömmlichen Lateralwiderstand, die am Lateralwiderstand auftretende Spannung einen Wert von etwa 1500 Volt, so kommt es dort in dem dem Hauptemitter zugewandten Bereich des Lateralwiderstandes bedingt durch eine hohe Löcherkonzentration zu einem starken Anstieg des elektrischen Feldes und damit verbunden zu einer signifikanten Lawinenmultiplikation der Ladungsträger. Die dabei entstehenden freien Elektronen führen im Inneren des Widerstandsbereiches zu einer Reduktion der elektrischen Feldstärke. Erstreckt sich der Bereich, in dem die elektrische Feldstärke auf diese Weise reduziert wird, über ein hinreichend großes Gebiet, so kann das Gesamtintegral über die elektrische Feldverteilung längs des Lateralwiderstandes in lateraler Richtung, d. h. die über dem Lateralwiderstand abfallende Spannung, absinken, obwohl das elektrische Feld in dem dem Hauptemitter zugewandten Bereich des Lateralwiderstands angestiegen ist. Als Folge bildet sich ein negativ differentieller Widerstand der transienten Strom-Spannungs-Kennlinie aus, der typischerweise zu einer Stromfi lamentierung und im ungünstigen Fall zu einer Schädigung des Lateralwiderstandes führt.
Demgegenüber wird bei einem erfindungsgemäßen Lateralwiderstand die an dem Lateralwiderstand abfallende Spannung wirkungsvoll begrenzt und ein negativ differentieller Widerstand vermieden.
Die vorliegende Erfindung wurde beispielhaft anhand verschiedener Ausgestaltungen eines Thyristors mit vier Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 insbesondere im Bereich eines zwischen der zweiten AG2 und der dritten AG3 Zündstufe angeordneten Lateralwiderstandes 64 erläutert. Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Lateralwiderstand 64 kann ein entsprechend aufgebauter Lateralwiderstand auch zwischen zwei anderen benachbarten Zündstufen AG1/AG2, AG3/AG4 und/oder zwischen der Zündeinrichtung BOD und der ersten Zündstufe AG1, und/oder zwischen dem Hauptemitter 5 und dem dem Hauptemitter 5 nächstgelegenen Abschnitt 21 der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 des Lateralwiderstandes 64 angeordnet sein. Weiterhin muss der Thyristor nicht notwendigerweise vier Zündstufen AG1, AG2, AG3, AG4 aufweisen. Ebenso können nur eine, zwei, drei oder auch mehr als vier Zündstufen vorgesehen sein. Es können auch zwei oder mehrere dieser Widerstände zwischen den drei oder mehreren Zündstufen vorgesehen werden.
Weiterhin weist der in den vorangehenden Beispielen gezeigte Lateralwiderstand 64 vier stark p-dotierte Abschnitte 21, 22, 23, 24 auf. Ebenso kann ein solcher Lateralwiderstand 64 jedoch nur eine, zwei, drei oder mehr als vier derartige stark p-dotierte Abschnitte 21, 22, 23, 24 umfassen. Abweichend von den vorangehenden Beispielen muss die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in den Maxima M1, M3, M5, M7 der stark p-dotierten Abschnitte 21, 22, 23, 24 des Lateralwiderstandes 64 nicht identische Werte N₁ aufweisen. Ebenso muss die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in den Minima M2, M4, M6, M8 der schwach p-dotierten Abschnitte 81, 82, 83, 84 des La teralwiderstandes 64 nicht identische Werte N₂ aufweisen. Allerdings können die Werte für die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) so gewählt werden, dass die größte der in den Minima M2, M4, M6, M8 aller schwach p-dotierten Abschnitte des Lateralwiderstandes vorliegenden Netto-p-Dotierstoffkonzentrationen kleiner ist als die kleinste aller in den Maxima M1, M3, M5, M7 des Lateralwiderstandes vorliegenden Netto-p-Dotierstoffkonzentrationen.
Anstelle oder zusätzlich zu der als lichtzündbaren Durchbruchsdiode ausgebildeten Zündeinrichtung kann auch noch eine als Gateelektrode ausgebildete Zündeinrichtung vorgesehen sein, die die Vorderseite des Halbleiterkörpers kontaktiert. Ein Lateralwiderstand kann dann zwischen der Durchbruchsdiode – sofern eine solche vorgesehen ist – und der Gateelektrode und/oder zwischen der Gateelektrode und dem Hauptemitter angeordnet sein.
12 zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Thyristors, dessen Grundaufbau dem des in 1 gezeigten Thyristors entspricht. Im Unterschied zu diesem weist der Thyristor gemäß 12 beispielhaft nur zwei Zündstufen AG1 und AG2 auf. Abweichend davon kann der Thyristor jedoch auch keine, eine, drei, vier oder mehr Zündstufen besitzen. Ein dem Lateralwiderstand 64 gemäß 1 entsprechender Lateralwiderstand wird bei dem Thyristor gemäß 12 nicht erläutert, kann aber optional zwischen beliebigen benachbarten Zündstufen AG1, AG2 bzw. zwischen der äußersten Zündstufe AG2 und dem Hauptkathodenbereich HK vorgesehen sein.
Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1, in dem in einer vertikalen Richtung v ausgehend von einer Rückseite 14 hin zu einer Vorderseite 13 eine p-dotierte Emitterzone 8 (p-dotierter Emitter), eine n-dotierte Basiszone 7 (n-dotierte Basis), eine p-dotierte Basiszone 6 (p-dotierte Basis) und eine n-dotierte Emitterzone 5 (n-dotierter Hauptemitter) aufeinanderfolgend angeordnet sind. Kathodenseitig ist eine An zahl p-dotierter Kurzschlusszonen 69 (”Kathodenkurzschlüsse”) angeordnet, die ausgehend von der p-dotierten Basis 6 den an die p-dotierte Basis 6 angrenzenden n-dotierten Emitter 5 durchdringen. Entsprechend weist der Thyristor anodenseitig eine Anzahl n-dotierter Kurzschlusszonen 79 (”Anodenkurzschlüsse”) auf, die ausgehend von der n-dotierten Basis 7 den an die n-dotierte Basis 7 angrenzenden p-dotierten Emitter 8 durchdringen. Abweichend vom dem in 12 dargestellten Thyristor können auch nur Anodenkurzschlüsse 79 oder nur Kathodenkurzschlüsse 69 vorgesehen sein. Solche Anodenkurzschlüsse 79 bzw. Kathodenkurzschlüsse bilden eine Widerstandsstruktur mit einem von der darin herrschenden Stromdichte abhängigen elektrischen Widerstand.
Die Anodenkurzschlüsse 79 und die Kathodenkurzschlüsse 69 können inselartig in den jeweiligen Emitter 8 bzw. 5 eingebettet und über die Fläche des jeweiligen Emitters 8 bzw. 5 verteilt sein. Alternativ zu einer inselartigen Ausgestaltung mit einer Vielzahl voneinander beabstandeten Anodenkurzschlüssen 79 bzw. Kathodenkurzschlüssen 69 können diese auch netzartig ausgebildet sein und den jeweiligen Emitter netzartig durchsetzen, so dass ein zusammenhängendes Netz ausreichen kann. Selbstverständlich können auch mehrere Teilnetze vorgesehen sein. Ebenso können eine netzartige Struktur und eine inselartige Struktur auch gemeinsam miteinander eingesetzt werden. Wesentlich ist in jedem Fall, dass solche Kurzschlussstrukturen 69, 79 ausreichend dicht in dem jeweiligen Emitter angeordnet sind.
Die Dotierung der Kathodenkurzschlüsse 69 ist in einer vergrößerten Ansicht gemäß 13 anhand eines einzelnen Kathodenkurzschlusses 69 gezeigt. Hierbei ist zu erkennen, dass sich der Kathodenkurzschluss 69 in der vertikalen Richtung v bis in die Tiefe t69 des n-dotierten Emitters 5 erstreckt. Der Kathodenkurzschluss 69 weist einen ersten Abschnitt 66 und einen zwischen dem ersten Abschnitt 66 und der p-dotierten Basis 6 angeordneten zweiten Abschnitt 67 auf. Die Netto-Dotierstoffkonzentration p67 des zweiten Abschnitts 67 ist schwächer gewählt als die Netto-Dotierstoffkonzentration p66 des ersten Abschnitts 66.
Die Herstellung solcher in den n-dotierten Emitter 5 eingebetteter Kathodenkurzschlüsse 69 kann beispielsweise ausgehend von einem Halbleitersubstrat erfolgen, welches eine schwach n-dotierte Schicht aufweist, die sich bis an die Vorderseite 13 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Davon ausgehend kann in dem Halbleiterkörper 1 ein p-dotierter Abschnitt erzeugt werden, der sich ausgehend von der Vorderseite 13 in entgegen der vertikalen Richtung v in den Halbleiterkörper 1 hinein erstreckt und der mit einem verbleibenden Abschnitt der schwach n-dotierten Schicht den späteren pn-Übergang zwischen der p-dotierten Basis und der n-dotierten Basis bildet.
Die Herstellung einer solchen p-dotierten Abschnitts kann beispielsweise durch eine zweistufige Aluminiumbelegung mit einem jeweils auf die Belegung folgenden thermischen Eintreibschritt erfolgen. Der so erzeugte, p-dotierte Abschnitt weist dann eine Ausdiffusionsform auf.
Mittels einer nachfolgenden Anhebung der p-Dotierung in einem vorderseitigen Abschnitt des Halbleiterkörpers 1 kann dann eine Schicht erzeugt werden, die später die ersten Abschnitte 66 der Kathodenkurzschlüsse 69 bildet. Diese Anhebung kann z. B. durch Dotierung mit einem Akzeptor erfolgen. Wird hierzu ein Akzeptor verwendet der, wie z. B. Indium bei einem Halbleiterkörper mit dem Grundmaterial Silizium, ein tiefes Energieniveau aufweist, so verringert sich der elektrische Widerstand der Kathodenkurzschlüsse 69 vorteilhafter Weise mit zunehmender Temperatur.
Danach kann der n-dotierte Emitter 5 durch eine vorderseitige, maskierte n-Dotierung, bei einem Halbleiterkörper mit dem Grundmaterial Silizium z. B. mit Phosphor oder Arsen, erzeugt werden.
Korrespondierend zu 13 zeigt 14 die Dotierungsverhältnisse bei den Anodenkurzschlüssen 79, welche sich in der vertikalen Richtung v bis in die Tiefe t79 des p-dotierten Emitters 8 erstreckten. Ein Anodenkurzschluss 79 weist einen ersten Abschnitt 76 und einen zwischen dem ersten Abschnitt 76 und der n-dotierten Basis 7 angeordneten zweiten Abschnitt 77 auf. Die Netto-Dotierstoffkonzentration n77 des zweiten Abschnitts 77 ist schwächer gewählt als die Netto-Dotierstoffkonzentration n76 des ersten Abschnitts 76.
Durch die erläuterte Ausgestaltung der ersten Abschnitte 66 bzw. 76 kann erreicht werden, dass die Kathodenkurzschlüsse 69 bzw. die Anodenkurzschlüsse 79 bei einem geringen die jeweiligen Kurzschlüsse 69 bzw. 79 durchfließenden Strom I1 einen elektrischen Widerstand R1 aufweisen, der geringer ist als ihr elektrischer Widerstand R2 bei einem höheren Strom I2. Ursache hierfür ist das sich mit zunehmendem Strom in den zweiten Abschnitten 67 bzw. 77 aufgrund der Raumladung ausbildende, starke elektrische Feld.
Die Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Abschnitte 67 der Kathodenkurzschlüsse 69 und/oder der zweiten Abschnitte 77 der Anodenkurzschlüsse 79 kann beispielsweise 10¹³ cm^–3 bis 10¹⁵ cm^–3 betragen. Weiterhin kann der elektrische Widerstand der kathodenseitigen Kurzschlusszonen 69 und/oder der anodenseitigen Kurzschlusszonen 79 in Bezug auf den die jeweiligen Kurzschlusszonen 69, 79 durchfließenden Strom einen Gradienten dI/dR aufweisen.
In den vorangehenden Beispielen wurde die Erfindung anhand eines stark p-dotierten Abschnitts 21 erläutert, dem ein schwächer p-dotierter Abschnitt 20 vorgelagert ist. Grundsätzlich kann eine Widerstandsstruktur jedoch auch zwei oder mehr stark p-dotierte Abschnitte aufweise, denen jeweils ein schwächer p-dotierter Abschnitt vorgelagert ist. Als Beispiel hierzu zeigt 16 eine alternative Ausgestaltung des Ab schnitts 11 des Thyristors gemäß 1, 17 den zugehörigen einen Verlauf der Netto-p-Dotierstoffkonzentration in einer in 16 dargestellten Schnittebene D-D' in Abhängigkeit von der lateralen Richtung r1.
Wie in 16 zu sehen ist, kann eine Widerstandsstruktur 64 abweichend von den in den 1 bis 5 gezeigten Anordnungen nicht nur einen stark p-dotierten Abschnitt 21 aufweisen, dem ein schwächer dotierter Abschnitt 20 vorgelagert ist, vielmehr können insgesamt zwei, drei, vier oder mehr stark p-dotierte Abschnitte 21, 22, 23, 24 vorgesehen sein, wobei den stark p-dotierte Abschnitten 22, 23, 24 jeweils ein Abschnitt 20' vorgelagert sein, der schwächer dotiert ist als der betreffende stark p-dotierte Abschnitt 22, 23, 24. Für Ausgestaltung eines jeden der schwächer dotierten Abschnitte 20' gelten dieselben Kriterien und Merkmale wie für den anhand der vorangehenden Beispiele erläuterten schwächer dotierten Abschnitt 20. Soweit bestimmte Merkmale des Abschnitts 20 von der Ausgestaltung des zugehörigen stark p-dotierten Abschnitts 21 abhängen, gelten die entsprechenden Merkmale für die schwächer dotierten Abschnitte 20' in gleicher Weise, wobei an die Stelle des stark p-dotierten Abschnitts 21 der jeweilige stark p-dotierte Abschnitt 22, 23, 24 tritt, dem der jeweilige schwächer dotierte Abschnitt 20' vorgelagert ist. Die Längen d20', die die schwächer dotierten Abschnitte 20' in der lateralen Richtung r1 aufweisen, treten an die Stelle der in den vorangehenden Beispielen erläuterten Länge d20. Entsprechend treten die Längen d22, d23 bzw. d24 der betreffende stark p-dotierten Abschnitte 22, 23, 24 an die Stelle der in den vorangehenden Beispielen erläuterten Länge d21.
Grundsätzlich können zwei, mehrere oder ein jeder der vorgelagerten, schwächer dotierten Abschnitte 20 mit 20' hinsichtlich ihres Verlaufs der Netto-p-Dotierstoffkonzentration in der lateralen Richtung r1 identisch ausgestaltet sein, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
Im Fall von wenigstens zwei schwächer dotierten Abschnitten 20, 20' sind diese in der lateralen Richtung r1 aufeinander folgend angeordnet, wobei sich jeweils zwischen zwei benachbarten der schwächer dotierten Abschnitte 20, 20' einer der stark p-dotierten Abschnitte 81, 82, 83, 84 befindet.
Bei dem in 16 gezeigten Beispiel weist die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in der lateralen Richtung r1 im Bereich eines jeden der vorgelagerten Abschnitte 20, 20' eine Horizontalstelle auf, wie dies anhand von 5 näher erläutert wurde. Abweichend davon kann die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in der lateralen Richtung r1 im Bereich genau eines, mehrerer oder eines jeden der vorgelagerten Abschnitte 20, 20' jeweils an zumindest einer Stelle einen positiven Gradienten ∂N_A/∂r1 aufweisen, wie dies anhand von 3 erläutert wurde. Ebenso kann die Netto-p-Dotierstoffkonzentration N(r1) in der lateralen Richtung r1 im Bereich genau eines, mehrerer oder eines jeden der vorgelagerten Abschnitte 20, 20' jeweils an zumindest einer Stelle einen negativen Gradienten ∂N_A/∂r1 aufweisen, wie dies anhand von 4 erläutert wurde.
Die vorangehenden, anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beziehen sich jeweils auf einen Thyristor. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Thyristor beschränkt. Sie kann vielmehr auch bei Widerstandsstrukturen in anderen Halbleiterbauelementen, z. B. bei Dioden, eingesetzt werden. Innerhalb eines Bauelements können auch mehrere Widerstandsstrukturen miteinander kombiniert werden. Zum Beispiel ist es möglich, eine als Lateralwiderstand ausgebildete Widerstandsstruktur, wie sie anhand der 1 bis 11 erläutert wurde, mit einer oder mehreren als Kurzschlussstrukturen ausgebildeten Widerstandsstrukturen, wie sie anhand der 12 bis 14 erläutert wurden, innerhalb eines Halbleiterbauelements miteinander zu kombinieren.

Claims

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1), in dem eine Halbleiterzone mit einem einheitlichen Leitungstyp ausgebildet ist, die eine Widerstandsstruktur (64) mit einem ersten Abschnitt (21), einem zweiten Abschnitt (81) und einem zwischen dem ersten Abschnitt (21) und dem zweiten Abschnitt (81) angeordneten dritten Abschnitt (20) bildet, wobei der zweite Abschnitt (81), der dritte Abschnitt (20) und der erste Abschnitt (21) in einer ersten Richtung (r1) in der genannten Reihenfolge aufeinander folgend angeordnet sind und denselben Leitungstyp aufweisen, der dritte Abschnitt (20) eine Netto-Dotierstoffkonzentration (p) aufweist, die kleiner ist als die Netto-Dotierstoffkonzentration (p+) des ersten Abschnitts (21) und größer als die Netto-Dotierstoffkonzentration (p–) des zweiten Abschnitts (81), der Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) ein in dem ersten Abschnitt (21) befindliches erstes lokales Maximum (M1) mit einer ersten Netto-Dotierstoffkonzentration N₁ und ein in dem zweiten Abschnitt (81) befindliches lokales Minimum (M2) mit einer zweiten Netto-Dotierstoffkonzentration N₂ aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) über mindestens 50% der lateralen Ausdehnung des dritten Abschnitts (20) einen Wert aufweist, der größer ist als 0,25·N₁ + 0,75·N₂ und kleiner als 0,75·N₁ + 0,25·N₂.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an zumindest einer Stelle des dritten Abschnitts (20) kleiner ist als 1·10¹⁶ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an zumindest einer Stelle des dritten Abschnitts (20) kleiner ist als 5·10¹⁵ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an zumindest einer Stelle des dritten Abschnitts (20) kleiner ist als 1·10¹⁵ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zumindest an einer Stelle des dritten Abschnitts (20) einen positiven Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zumindest an einer Stelle des dritten Abschnitts (20) einen negativen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) in dem dritten Abschnitt (20) zumindest eine Horizontalstelle aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an jeder Stelle des dritten Abschnitts (20) größer ist als 1·10¹³ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an jeder Stelle des dritten Abschnitts (20) größer ist als 2·10¹³ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle des dritten Abschnitts (20) kleiner ist als 1·10¹⁶ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle des dritten Abschnitts (20) kleiner ist als 1·10¹⁵ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle des dritten Abschnitts (20) größer ist als 1·10¹³ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle des dritten Abschnitts (20) größer ist als 1·10¹⁴ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der dritte Abschnitt (20) in der ersten Richtung (r1) eine Länge (d20) von kleiner oder gleich 50 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, bei dem der dritte Abschnitt (20) in der ersten Richtung (r1) eine Länge (d20) von kleiner oder gleich 5 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Widerstandsstruktur (64) wenigstens einen weiteren Abschnitt (22, 23, 24) aufweist, der entgegen der ersten Richtung (r1) vor dem zweiten Abschnitt (81) angeordnet ist, so dass der weitere Abschnitt (22, 23, 24), der zweite Abschnitt (81), der dritte Abschnitt (20) und der erste Abschnitt (21) in der ersten Richtung (r1) in der genannten Reihenfolge aufeinander folgend angeordnet sind, wobei jeder der weiteren Abschnitte (22, 23, 24) ein weiteres lokales Maximum (M3, M4, M5) der Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, bei dem die Widerstandsstruktur (64) zu jedem der wenigstens einen weiteren Abschnitte (22, 23, 24) einen vierten Abschnitt (82, 83, 84) und einen zwischen dem betreffenden weiteren Abschnitt (22, 23, 24) und dem vierten Abschnitt (82, 83, 84) angeordneten fünften Abschnitt (20') aufweist, wobei der vierte Abschnitt (82, 83, 84), der fünfte Abschnitt (20') und der betreffende weitere Abschnitt (22, 23, 24) in einer ersten Richtung (r1) in der genannten Reihenfolge aufeinander folgend angeordnet sind und denselben Leitungstyp aufweisen, der fünfte Abschnitt (20') eine Netto-Dotierstoffkonzentration (p) aufweist, die kleiner ist als die Netto-Dotierstoffkonzentration (p+) des betreffenden weiteren Abschnitts (22, 23, 24) und größer als die Netto-Dotierstoffkonzentration (p–) des vierten Abschnitts (82, 83, 84), der Verlauf der Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) ein in dem betreffenden weiteren Abschnitt (22, 23, 24) befindliches erstes lokales Maximum (M3, M5, M7) mit einer dritten Netto-Dotierstoffkonzentration N₁ und ein in dem vierten Ab schnitt (82, 83, 84) befindliches lokales Minimum (M4, M6, M8) mit einer vierten Netto-Dotierstoffkonzentration N₂ aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) über mindestens 50% der lateralen Ausdehnung eines jeden fünften Abschnitts (20') einen Wert aufweist, der größer ist als 0,25·N₁ + 0,75·N₂ und kleiner als 0,75·N₁ + 0,25·N₂.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an zumindest einer Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20) kleiner ist als 1·10¹⁶ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an zumindest einer Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') kleiner ist als 5·10¹⁵ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 21, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an zumindest einer Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') kleiner ist als 1·10¹⁵ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zumindest an einer Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') einen positiven Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zumindest an einer Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') einen negativen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 24, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) in jedem fünften Abschnitt (20') zumindest eine Horizontalstelle aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an jeder Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') größer ist als 1·10¹³ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 26, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) einen Gradienten (∂N_A/∂r1) aufweist, dessen Betrag an jeder Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') größer ist als 2·10¹³ cm^–3/μm.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 27, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') kleiner ist als 1·10¹⁶ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 28, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20) kleiner ist als 1·10¹⁵ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 28, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') größer ist als 1·10¹³ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 30, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) an jeder Stelle eines jeden fünften Abschnitts (20') größer ist als 1·10¹⁴ cm^–3.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 31, bei dem ein jeder fünfte Abschnitt (20') in der ersten Richtung (r1) eine Länge (d20') von kleiner oder gleich 50 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 32, bei dem ein jeder fünfte Abschnitt (20') in der ersten Richtung (r1) eine Länge (d20') von kleiner oder gleich 5 μm aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 33, bei dem der dritte Abschnitt (20) und ein jeder fünfte Abschnitt (20') in der ersten Richtung (r1) aufeinander folgend angeordnet sind, wobei der zweite Abschnitt (81) in der ersten Richtung (r1) zwischen dem dritten Abschnitt (20) und dem wenigstens einen weiteren Abschnitt (22, 23, 24) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 34 mit wenigstens zwei fünften Abschnitten (20'), wobei in der ersten Richtung (r1) zwischen zwei benachbarten fünften Abschnitten (20') jeweils einer der weiteren Abschnitte (22, 23, 24) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 17 bis 35, bei dem der dritte Abschnitt (20) in der ersten Richtung (r1) eine Länge (d20) aufweist, die größer oder gleich ist als die Länge (d22) wenigstens eines der weiteren Abschnitte (22, 23, 24) in der ersten Richtung (r1).
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 17 bis 36, bei dem der dritte Abschnitt (20) in der ersten Richtung (r1) eine Länge (d20) aufweist, die größer oder gleich ist als die Dicke (t22) wenigstens eines der weiteren Abschnitte (22, 23, 24) in einer zur ersten Richtung (r1) senkrechten zweiten Richtung (v).
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Netto-Dotierstoffkonzentration (N(r1)) der Widerstandszone (64) im dritten Abschnitt (20) in der ersten Richtung (r1) monoton oder streng monoton zunimmt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der erste Abschnitt (21) und der dritte Abschnitt (20) voneinander beabstandet sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 38, bei dem der erste Abschnitt (21) und der dritte Abschnitt (20) unmittelbar aneinander angrenzen.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das als Thyristor ausgebildet ist, mit folgenden Merkmalen: einem Halbleiterkörper (1), in dem in einer zur ersten Richtung (r1) senkrechten vertikalen Richtung (v) ausgehend von einer Rückseite (14) hin zu einer Vorderseite (13) ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) aufeinanderfolgend angeordnet sind, und in dem eine Zündeinrichtung (BOD) zur Zündung des Thyristors angeordnet ist, wobei die Widerstandsstruktur (64) als Abschnitt der p-dotierten Basis (6) ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 41, bei dem die Widerstandsstruktur (64) zusammen mit dem ersten Abschnitt (21) wenigstens zwei Abschnitte (21, 22, 23, 24) aufweist, in denen die Netto-Dotierstoffkonzentration höher ist als die Net to-Dotierstoffkonzentration in dem dritten Abschnitt (20), wobei jeweils zwischen zwei benachbarten der wenigstens zwei Abschnitte (21, 22, 23, 24) ein Abschnitt (81, 82, 83) angeordnet ist, dessen Netto-Dotierstoffkonzentration kleiner ist als die Netto-Dotierstoffkonzentration in dem dritten Abschnitt (20).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 42, bei dem von den wenigstens zwei Abschnitten (21, 22, 23, 24) der erste Abschnitt (21) der dem Hauptemitter (5) nächstliegende ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 41 bis 43 mit einer Zündstufenstruktur, die in der ersten Richtung (r1) zwischen der Zündeinrichtung (BOD) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist und die wenigstens eine Zündstufe (AG1, AG2, AG3, AG4) aufweist, von denen jede einen n-dotierten Zündstufenemitter (51, 52, 53, 54) umfasst.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 44, bei dem die Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zwischen einem n-dotierten Zündstufenemitter (51, 52) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 44 oder 45, bei dem die Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zwischen der Zündstruktur (BOD) und einem n-dotierten Zündstufenemitter (53, 54) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 44 oder 45, bei dem die Widerstandsstruktur (64) in der ersten Richtung (r1) zwischen zwei Zündstufenemittern (51, 52, 53, 54) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 47, bei dem die Widerstandsstruktur (64) zwischen zwei benachbarten Zündstufenemittern (51, 52, 53, 54) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das wenigstens eine n-dotierte Insel (30) aufweist, die in jeder zur vertikalen Richtung (v) senkrechten Richtung vom ersten Abschnitt (21) umschlossen ist.
Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1), in dem eine Emitterzone (5, 8) eines ersten Leitungstyps und eine an diese angrenzende Zone (6, 7) eines zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyps angeordnet ist, wobei eine oder mehrere von Kurzschlusszonen (69, 79) vom zweiten Leitungstyp vorgesehen sind, die die Emitterzone (5, 8) ausgehend von der an die Emitterzone (5, 8) angrenzende Zone (6, 7) durchdringen, wobei die Kurzschlusszonen (69, 79) jeweils einen ersten Abschnitt (66, 76) umfassen, sowie einen zweiten Abschnitt (67, 77), der eine schwächere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der erste Abschnitt (66, 76) und der zwischen dem ersten Abschnitt (66, 76) und der an die Emitterzone (5, 8) angrenzenden Zone (6, 7) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 50, bei dem der zweite Abschnitt (67, 77) eine Netto-Dotierstoffkonzentration von 10¹³ cm^–3 bis 10¹⁵ cm^–3 aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 50 oder 51, bei dem sich die eine oder die mehreren Kurzschlusszonen (69, 79) bis an die Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) erstreckt/erstrecken.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 50 bis 52, bei dem die Emitterzone (5, 8) – eine Anodenzone oder eine Kathodenzone eines Thyristors, oder – eine Anodenzone oder eine Kathodenzone einer Diode ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 50 bis 53, das als Thyristor ausgebildet ist und das einen Halbleiterkörper (1) umfasst, in dem in einer vertikalen Richtung (v) ausgehend von einer Rückseite (14) hin zu einer Vorderseite (13) ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Emitter (5) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 54, bei dem die Emitterzone (5) der n-dotierte Emitter (5) und die an die Emitterzone (5) angrenzende Zone (6) die p-dotierte Basis (6) ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 54, bei dem die Emitterzone (8) der p-dotierte Emitter (8) und die an die Emitterzone (8) angrenzende Zone (7) die n-dotierte Basis (7) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 50 bis 56, bei dem der erste Abschnitt (66) mit Indium dotiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 50 bis 56, bei dem der erste Abschnitt (76) mit Selen und/oder mit Schwefel dotiert ist.