DE19947020A1

DE19947020A1 - Kompensationsbauelement mit variabler Ladungsbilanz

Info

Publication number: DE19947020A1
Application number: DE19947020A
Authority: DE
Inventors: Armin Willmeroth; Hans Weber; Dirk Ahlers
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: WO2001024276A1; US6639272B2; DE19947020B4; US20020135014A1

Abstract

Bei einem Kondensationsbauelement wird eine variable Ladungsbilanz durch unterschiedliche dicke Gestaltung von Kompensationsgebieten (5 bis 10) erzielt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kompensationsbauele ment mit einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, in welchem sich zwischen wenigstens einer ersten Elektrode und einer entfernt von dieser angeordneten zweiten Elektrode ein an die erste Elektrode angrenzender Bereich mit wenigstens einer Zone des zweiten, zum ersten Leitungstyp entgegenge setzten Leitungstyps erstreckt, und mit einer zwischen der wenigstens einen Zonen des zweiten Leitungstyps und der zwei ten Elektrode liegenden Driftzone, in der sich Kompensations gebiete des zweiten Leitungstyps befinden, in denen die La dungsbilanz variabel ist.

Bei Kompensationsbauelementen liegt bekanntlich eine starke Abhängigkeit der elektrischen Parameter, wie insbesondere der Durchbruchspannung, von Fertigungsschwankungen vor. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Durchbruchspannung ungefähr parabolisch von der p/n-Ladungsbilanz im Volumen des Halblei terkörpers abhängt. Diese Ladungsbilanz unterliegt aber Fer tigungsschwankungen.

Wird die Ladungsbilanz in den einzelnen, vorzugsweise durch Epitaxie gebildeten Ebenen eines Kompensationsbauelementes nicht variiert, so daß ein homogenes Dotiertiefenprofil in den Kompensationsgebieten des zweiten Leitungstyps, der soge nannten "p-Säule", wenn der zweite Leitungstyps der p-Lei tungstyp ist, vorliegt, so ergibt sich eine sehr schmale Kom pensationsparabel mit einer nur geringen Öffnungsbreite. In diesem Fall ist also das Fertigungsfenster relativ klein.

Bei Variation der Ladungsbilanz in den einzelnen Ebenen, d. h. bei Veränderung der pro Fläche implantierten Dosis in diesen Ebenen, wird die Parabel aber breiter, was eine größere Fer tigungstoleranz mit sich bringt.

Fig. 5 zeigt den typischen Verlauf von zwei derartigen "Fer tigungsparabeln". In Abhängigkeit von dem Kompensationsgrad, der p-lastig oder n-lastig bzw. neutral sein kann, ist hier die Durchbruchspannung aufgetragen. Für eine homogene Säulen dotierung (vgl. die Strichlinie) ergibt sich eine wesentlich schmalere Fertigungsparabel als für eine variable Säulendo tierung (vgl. die Vollinie).

Die Driftzone eines Kompensationsbauelementes, in der sich die Kompensationsgebiete befinden, wird bevorzugt durch mehr maliges Abscheiden einer dotierten epitaktischen Schicht, an das sich jeweils eine maskierte Implantation mit einem Do tierstoff des zweiten Leitungstyps anschließt, vorgenommen. Mit anderen Worten, es wird beispielsweise eine n-leitende epitaktische Schicht auf ein n-leitendes Halbleitersubstrat aufgetragen. Sodann wird mittels maskierter Implantation in dem Bereich der Driftzone ein p-leitendes Kompensationsgebiet erzeugt. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt.

Wird die Driftzone in dieser Weise erzeugt, so zeigt das elektrische Feld eine starke Variation mit der Tiefe, also in der Richtung senkrecht zu den einzelnen epitaktischen Schich ten. Diese Variation des elektrischen Feldes kann als Wellig keit bezeichnet werden.

Die Welligkeit beruht einerseits auf der in Tiefenrichtung bzw. vertikal inhomogenen Verteilung der implantierten Dosis und andererseits auf einem elektrischen Querfeld, das sich zwischen den Kompensationsgebieten des zweiten Leitungstyps und dem diese umgebenden Halbleiterkörper, also im obigen Beispiel mit der p-Säule zwischen den p-leitenden Gebieten der Säule und dem n-leitenden Halbleiterkörper einstellt.

Fig. 4 zeigt einen solchen Feldverlauf bei einem herkömmli chen Kompensationsbauelement. Dabei ist in Fig. 4 die elek trische Feldstärke E in Abhängigkeit von der Bauelement-Tiefe d aufgetragen.

Durch diese Welligkeit der elektrischen Feldstärke K kann das Kompensationsbauelement deutlich weniger Spannung aufnehmen als bei einem "ebeneren" Feldverlauf. Um dennoch höhere Span nungen aushalten zu können, muß das Kompensationsbauelement relativ dick dimensioniert werden, was aber zu einem erhöhten Einschaltwiderstand RDSon zwischen Drain und Source bei einem Transistor als Kompensationsbauelement führt.

Es ist also anzustreben, daß Kompensationsbauelemente eine breite Fertigungsparabel haben und eine geringe Welligkeit aufweisen.

Die breite Fertigungsparabel wird durch ein variables Dotie rungsprofil in der Driftzone, im obigen Beispiel in der p- Säule, erreicht. Hierzu kann entweder die Implantationsdosis variabel eingestellt werden oder die Dotierung in den einzel nen epitaktischen Schichten veränderlich gestaltet sein. Eine solche veränderliche Gestaltung der Dotierung in epitakti schen Schichten, im obigen Beispiel also der n-Dotierung, läßt sich in der Praxis nur schwer realisieren, so daß allein die Variation der Dotierungsdosis in den Kompensationsgebie ten bevorzugt wird. Diese Variation kann durch Ändern der im plantierten Dosis oder über eine entsprechende Bemaßung der bei der Phototechnik verwendeten Masken vor der Implantation vorgenommen werden.

Die Welligkeit des elektrischen Feldes läßt sich durch länge re Eintreibzeiten im Anschluß an die einzelnen Implantatio nen, also durch eine dadurch erreichte homogenere Verteilung der implantierten Dotierstoffe, durch Verwendung von Hochen ergieimplantationen oder durch geringere Schichtdicken der einzelnen Kompensationsgebiete und damit durch eine größere Anzahl von epitaktischen Schichten erreichen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kompensations bauelement anzugeben, das sich durch eine breite Fertigungs parabel und niedrige Welligkeit des elektrischen Feldes aus zeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Kompensationsbauelement der ein gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke der Kompensationsgebiete variiert ist.

Die Erfindung eröffnet damit eine weitere vorteilhafte Mög lichkeit zur Erzielung einer variablen Dotierung bei gleich zeitiger Reduzierung der Welligkeit: neben den bereits oben genannten beiden üblichen Methoden wird erfindungsgemäß die variable Dotierung durch Dickenvariation der Kompensationsge biete, also der einzelnen epitaktischen Schichten, einge stellt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Welligkeit des elektrischen Feldes ohne weiteres in allen Kompensations gebieten etwa gleich groß gewählt werden kann. Wird nämlich die variable Dotierung wie bisher über die bei der Implanta tion angewandte Dosis eingestellt, so ist das elektrische Querfeld und damit die Welligkeit des elektrischen Feldes in dem Bereich, in welchem die Dotierung des zweiten Leitungs typs überwiegt, größer als in den übrigen Bereichen, woraus der in Fig. 4 gezeigte Verlauf des elektrischen Feldes folgt. Bei Variation der Dicke der Kompensationsgebiete, die bei der Erfindung angewandt wird, kann durch die Variation der Dicke die Welligkeit über der gesamten Driftzone gleichmäßig ge staltet werden, so daß das erfindungsgemäße Kompensationsbau element dünner gestaltet werden kann als herkömmliche Kompen sationsbauelemente, was letztlich zu einem verbesserten, d. h. niedrigeren Einschaltwiderstand führt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kompensationsbauelementes liegt darin, daß die Dicke einzelner abgeschiedener epitaktischer Schich ten deutlich besser reproduzierbar eingestellt werden kann als deren Dotierung. Kompensationsbauelemente für Spannungen bis 600 V und 800 V können mit Hilfe der vorliegenden Erfin dung ohne weiteres mit gleicher Epitaxie-Dotierung gefertigt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein erstes Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kompensa tionsbauelementes,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kompen sationsbauelementes,

Fig. 3 den Verlauf des elektrischen Feldes E in Abhän gigkeit von der Bauelement-Tiefe d bei dem erfin dungsgemäßen Kompensationsbauelement,

Fig. 4 den Verlauf des elektrischen Feldes in Abhängig keit von der Bauelement-Tiefe d bei dem herkömm lichen Kompensationsbauelement und

Fig. 5 den Verlauf von zwei Fertigungsparabeln.

Die Fig. 4 und 5 sind bereits eingangs erläutert worden.

Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ei nen schematischen Schnitt durch einen MOS-Transistor mit ei nem n-leitenden Halbleiterkörper 1 auf einem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat 2, einer p-leitenden Halbleiterzone 3, n⁺- leitenden Sourcezonen 4, einer Isolatorschicht 5 aus Silizi umdioxid, einer Sourceelektrode S, einer Gateelektrode G und einer Drainelektrode D.

Unterhalb der p-leitenden Zone 3 befinden sich p-leitende Kompensationsgebiete 5 bis 10, die erfindungsgemäß unter schiedliche Dicken haben. Das Kompensationsgebiet 5 weist ei ne Dicke von 6,0 µm auf, während die Kompensationsgebiete 6 bis 10 jeweils Dicken von 6,2 µm, 6,4 µm, 6,6 µm, 6,8 µm und 7,0 µm haben.

Auf diese Weise wird eine Driftzone aus den Kompensationsge bieten 5 bis 10 erhalten, in denen durch die Variation der Dicke dieser Kompensationsgebiete 5 bis 10 die Ladungsbilanz ebenfalls variiert ist.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des elektrischen Feldes E in Abhän gigkeit von der Tiefe d für das in Fig. 2 dargestellte Kom pensationsbauelement. Ein Vergleich mit Fig. 4 ergibt sofort, daß die Welligkeit des erfindungsgemäßen Kompensationsbauele mentes in der gesamten Driftzone gleichmäßig und etwa gleich groß ist. Dadurch ist es möglich, das Kompensationsbauelement dünner zu gestalten und einen verringerten Einschaltwider stand zu erreichen.

Fig. 1 zeigt eine vertikale Anordnung des erfindungsgemäßen Kompensationsbauelementes. Die Erfindung ist aber nicht auf eine solche vertikale Anordnung begrenzt. Vielmehr ist auch eine laterale Gestaltung möglich, wobei die unterschiedlichen Dicken der Kompensationsgebiete dann beispielsweise durch verschieden breite Dotierungszonen zu erreichen sind. Bevor zugt weist jedoch das erfindungsgemäße Kompensationsbauele ment eine vertikale Struktur auf, wie diese in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.

Das Halbleitersubstrat 2, der Halbleiterkörper 1 und die ein zelnen Zonen 3 bis 10 bestehen vorzugsweise aus Silizium. Ge gebenenfalls sind aber auch hierfür andere Materialien mög lich, wie beispielsweise AIII-BV-Verbindungshalbleiter.

Für die Elektroden von Drain D, Gate G und Source S kann bei spielsweise Aluminium verwendet werden. Auch hier können je doch gegebenenfalls andere Materialien eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Kompensationsbauelementes, das sich von dem Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß die Dicken der Schichten 5 bis 10 nur teilweise variabel sind: die Schicht 5 hat eine Dicke von 6,4 µm, die Schicht 6 weist eine Dicke von 6,7 µm auf, und die Schichten 7 bis 10 haben jeweils Dicken von 7,0 µm. Eine variable Dotierung wird in diesem Fall dadurch erreicht, daß die Dosen bei der Im plantation unterschiedlich gewählt sind: während die Schich ten 5 bis 7 mit einer Dosis von "100%" implantiert werden, sind für die Implantation der Schichten 8, 9, 10 jeweils p- Dosen von 90%, 80% und 70% vorgesehen. Gegebenenfalls kön nen aber auch die in der Dicke variierten wie die in der Dik ke nicht variierten Schichten bzw. Kompensationsgebiete eine variierte Implantationsdosis haben. Anstelle einer Implanta tion kann eine andere Dotierungsmethode eingesetzt werden, so daß dann die einzelnen Schichten mit wenigstens teilweise un terschiedlichen Schichtdicken unterschiedliche Dotierungskon zentrationen haben.

Als p-leitender Dotierstoff wird in bevorzugter Weise Bor eingesetzt. Jedoch können gegebenenfalls auch andere p-lei tende Dotierstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Gal lium usw.

Auch ist die Erfindung oben anhand einer p-Säule aus den Kom pensationsgebieten 5 bis 10 in dem n-leitenden Halbleiterkör per 1 erläutert. Gegebenenfalls kann der Leitungstyps auch umgekehrt werden, so daß eine n-Säule in einem p-leitenden Halbleiterkörper vorliegt.

Bezugszeichenliste

1

Halbleiterkörper

2

Halbleitersubstrat

3

p-leitende Halbleiterzone

4

Sourcezone

5

bis

10

Kompensationsgebiete
G Gate
S Source
D Drain
d Tiefenrichtung
E elektrisches Feld

Claims

1. Kompensationsbauelement mit einem Halbleiterkörper (1, 2) eines ersten Leitungstyps, in welchem sich zwischen we nigstens einer ersten Elektrode (G, S) und einer entfernt von dieser angeordneten zweiten Elektrode (D) ein an die erste Elektrode (G, S) angrenzender Bereich mit wenig stens einer Zone (3) des zweiten, zum ersten Leitungstyps entgegengesetzten Leitungstyps erstreckt, und mit einer zwischen der wenigstens einen Zone (3) des zweiten Lei tungstyps und der zweiten Elektrode (D) liegenden Drift zone, in der sich Kompensationsgebiete (5 bis 10) des zweiten Leitungstyps befinden, in denen die Ladungsbilanz variiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kompensationsgebiete (5 bis 10) variiert ist.

2. Kompensationsbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke aller Kompensationsgebiete (5 bis 10) variiert ist.

3. Kompensationsbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke von wenigstens zwei Kompensationsgebieten (5 bis 7) variiert ist.

4. Kompensationsbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Dicke variierten und insbesondere die in der Dicke nicht variierten Kompensationsgebiete (7 bis 10) eine variierte Implantationsdosis haben.

5. Kompensationsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsgebiete (5 bis 10) vertikal im Halblei terkörper (1) zu dessen Hauptoberflächen angeordnet sind.

6. Kompensationsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyps der n-Leitungstyps ist.

7. Kompensationsbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsgebiete (5 bis 10) mit Bor dotiert sind.

8. Kompensationsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsgebiete (5 bis 10) Schichtdicken zwi schen 5,0 µm und 15 µm, insbesondere zwischen 6,0 µm und 7,0 µm, aufweisen.

9. Kompensationsbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein MOS-Transistor ist.

10. Verfahren zum Herstellen des Kompensationsbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kompensationsgebiete (5 bis 10) mit va riabler Dicke unterschiedlich dicke epitaktische Schich ten nacheinander auf einem Halbleitersubstrat (2) abge schieden werden.