DE10122362A1

DE10122362A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE10122362A1
Application number: DE10122362A
Authority: DE
Inventors: Frank Pfirsch; Armin Willmeroth; Franz Auerbach; Gerald Deboy; Dirk Ahlers; Hans Weber
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: DE10122362B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer dotierten Halbleiterschicht, die zumindest teilweise Dotierstoffe gleicher Polarität aufweist, die bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind und deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt. Auf diese Weise ist neben einer Modulation der Einsatzspannung auch eine Modulation der Kanallänge und Kanalweite möglich. Grundlage dieser Modulation ist die Verwendung von Dotierstoffen, die bei Raumtemperatur unvollständig ionisiert sind und deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein in einem Halbleiterkörper angeord netes, durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also ein Halblei terbauelement, mit mindestens einer Sourcezone und mit min destens einer Drainzone vom jeweils ersten Leitungstyp, mit mindestens einer jeweils zwischen Sourcezone und Drainzone angeordneten Bodyzone vom zweiten Leitungstyp, und mit min destens einer Gateelektrode, über die bei Anlegen eines Gate- Potenzials an die Gateelektrode eine stromführende Kanalzone in der Bodyzone ausbildbar ist.

Ein solches Halbleiterbauelement kann beliebig ausgebildet sein, d. h. es kann sich hier um einen MOS-Transistor, IGBT und dergleichen handeln. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Halbleiterbauelemente ist beispielsweise aus Stengl, Tihanyi, "Leistungs-MOSFET-Praxis", Pflaum-Verlag München, 1992, bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung dieser Halbleiterbauelemente verzichtet werden kann. Im fol genden soll als Beispiel eines gattungsgemäßen Halbleiterbau elementes von einem durch Feldeffekt gesteuerten MOS- Transistor - auch kurz MOSFET genannt - ausgegangen werden, ohne jedoch die Erfindung auf dieses Halbleiterbauelement zu beschränken.

Bei allen heute erhältlichen Halbleiterbauelementen mit sper render Funktionalität, wie z. B. bei einem MOSFET, ist deren Einsatzspannung weitgehend eine statische Bauelementeigen schaft. Für die Einsatzspannung U_T gilt nach A. Möschwitzer, "Grundlagen der Halbleiter- und Mikroelektronik", Band 1, Carl Hanser Verlag, München, 1992, insbesondere dort Glei chung 5.20:

Hier ist mit V_F das Dotierungspotenzial, mit U_FB die Flach bandspannung, mit d_ox die Dicke des Gateoxids, mit N_A die Ak zeptordichte und mit U_SB die Spannung zwischen Source und Substrat bezeichnet. ε_ox und ε_H bezeichnen die Permittivität des Gateoxids bzw. des Halbleiters und q die Elementarladung. U_FB ist im stark n-dotierten Silizium etwa -1 V.

Die Einsatzspannung U_T eines in einem Silizium-Halbleiter körper integrierten MOSFETs ist bei Raumtemperatur also im wesentlichen von Dotierungskonzentration in der Kanalzone so wie von der Gateoxiddicke abhängig. Bei einem MOSFET wird da her je nach Applikation die Einsatzspannung U_T beispielsweise durch Verringerung der Oxiddicke d_ox oder einer definierten Kanalimplantation geeignet eingestellt. So liegt bei einem Drainstrom von 1 mA bei Leistungs-MOSFETs beispielsweise die Einsatzspannung U_T zwischen 2 V und 5 V bei Standard-Leistungs- MOSFETs und bei 1,5 V bis 2,5 V bei sogenannten Logik-Level- MOSFETs.

Ist die Einsatzspannung U_T bei einem MOSFET einmal festge legt, so schwankt sie lediglich im Rahmen ihrer Temperaturab hängigkeit. Die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung U_T nach Gleichung (1) ergibt sich im wesentlichen aus der Tempe raturabhängigkeit des Dotierungspotenzials V_F, für welches gilt:

wobei für die thermische Spannung gilt:

Mit n_i ist hier die Eigenleitdichte, mit T die Temperatur und mit k die Boltzmannkonstante bezeichnet.

Nach A. Möschwitzer ist die Temperaturänderung der thermi schen Spannung bei einem Enhancement-MOSFET

dU_th/dT ≈ -1 mV/K (4)

und bei einem Depletion-MOSFET

dU_th/dT ≈ 2-3 mV/K. (5)

Diesen Zusammenhängen kommt bei der Entwicklung heutiger MOS- FETs, insbesondere aber bei heutigen Leistungs-MOSFETs, eine zunehmende Bedeutung zu. Allerdings sind bei der MOSFET- Entwicklung zwei mitunter gegenläufige Trends erkennbar:
Bei früheren MOSFETs waren die durch den Einschaltwiderstand RDSon hervorgerufenen, statischen Leistungsverluste vorherr schend. Mit der Einführung einer neuen Generation an Leis tungshalbleiterbauelementen, die nach dem Prinzip der La dungsträgerkompensation arbeiten, konnte der Einschaltwider stand RDSon jedoch drastisch reduziert werden. Derartige Kom pensationsbauelemente weisen in der Driftzone Ladungsträger beiden Leitfähigkeitstyps auf, die sich bei Anlegen einer Sperrspannung gegenseitig ausräumen und die somit eine hohe Sperrspannung gewährleisten. Dadurch bedingt kann die Drift zone eine vergleichsweise hohe Dotierungskonzentration auf weisen, wodurch der Einschaltwiderstand RDSon bei Anlegen ei ner Flussspannung minimiert wird.

Durch diese Reduzierung des Einschaltwiderstandes RDSon gehen neben den statischen Verlusten - bedingt durch den Einschalt widerstand RDSon - zunehmend auch dynamische Schaltverluste, die aus der Ansteuerung des MOSFETs resultieren, mit in die Gesamtbilanz der Leistungsverluste mit ein. Der prozentuale Anteil der dynamischen Verluste, der bislang gegenüber den statischen Verlusten vernachlässigt werden konnten, wird also weiter zunehmen und kann daher in Zukunft auch nicht mehr vernachlässigt werden.

Auf der anderen Seite geht der Trend zu MOSFETs, die mit ei nem immer geringeren Gatepotenzial ansteuerbar sind. Dies hat den Vorteil, dass bei der Fertigung die MOSFET-Treiber mit tels heute allgemein verwendeter und gut beherrschter CMOS- Prozesse herstellbar sind. Diese CMOS-Fertigungsprozesse sind auf ein Treiberpotenzial von etwa 5 V ausgelegt. Dadurch las sen sich Gatetreiber mit sehr kleinen Strukturen bereitstel len, was insbesondere aus Gründen der Chipflächenoptimierung und somit aus Kostengründen besonders vorteilhaft ist. Für die Ansteuerung der Gateanschlüsse eines MOSFETs stehen daher allerdings relativ geringe Ansteuerpotenziale zur Verfügung. Um den MOSFET definiert einschalten zu können, muss also auch die Einsatzspannung UT des MOSFETs - beispielsweise über eine Reduzierung der Dotierungskonzentration in der Kanalzone oder einer Verringerung der Gateoxiddicke - entsprechend klein eingestellt sein.

Bei der Auslegung der Einsatzspannung U_T eines MOSFET ist je doch auf folgendes zu achten:
Die Veränderung der Einsatzspannung U_T mit steigender Tempe ratur entsprechend den Gleichungen (4), (5) führt dazu, dass die Einsatzspannung U_T bei Raumtemperatur einen Spannungs vorhalt aufweisen muss, der der temperaturbedingten Abnahme der Einsatzspannung in dem gewünschten Temperaturbereich ge recht wird. Damit liegt zwar die Einsatzspannung U_T bei hohen Temperaturen in dem vorgegebenen Spannungsbereich, jedoch könnte es bedingt durch die Reduzierung der Treiberleistung der Ansteuerschaltung gegebenenfalls Probleme beim Einschal ten eines MOSFETs bei Raumtemperatur geben, da das verringer te Ansteuerpotenzial unter Umständen nicht zum Einschalten ausreicht. Um auch dies zu vermeiden bleibt häufig nichts an deres übrig, als die Treiberleistung ausreichend groß auszulegen, was jedoch bezüglich der Kosten der Ansteuerschaltung nicht vorteilhaft ist.

Ein weiteres Problem ergibt sich beim Ausschalten eines MOS- FETs. Bei einer hohen Temperatur, bei der eine vergleichswei se geringe Einsatzspannung U_T vorhanden ist, wird der Schal ter unter Umständen nicht mehr sicher ausgeschaltet.

Insbesondere für Halbleiterbauelemente, die für einen sehr großen Temperaturbereich ausgelegt werden sollen, muss also zu Lasten der elektrischen Eigenschaften ein Kompromiss zwi schen Schaltverlusten und Miniaturisierung der Schaltelemente gefunden werden.

Es besteht somit der Bedarf, ein Halbleiterbauelement bereit zustellen, welches hinsichtlich seiner Einsatzspannung beiden oben genannten Trends gerecht wird, ohne den genannten Kom promiss zu Lasten der elektrischen Eigenschaften eingehen zu müssen.

Neben der weitestgehend fest vorgegebenen Einsatzspannung, die unerwünschterweise von der Temperatur abhängt, sind auch die Kanallänge und die Kanalweite bei einem MOSFET durch das Design des MOSFETs fest vorgegeben. Ein Halbleiterbauelement, bei dem die Kanallänge und/oder die Kanalweite und/oder die Einsatzspannung nachträglich variierbar ist, ist bislang nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit der vorstehend genannten Funkti onalität auszustatten. Ferner soll bei einem solchen Halblei terbauelement die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung definiert verringert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Halbleiterbau element mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäss ist ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement vorge sehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bodyzone ers te Dotierstoffe und zweite Dotierstoffe des zweiten Leitungs typs aufweist, wobei die ersten Dotierstoffe bei Raumtempera tur vollständig ionisiert sind und die zweiten Dotierstoffe bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind und deren Io nisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.

In völliger Abkehr zu bisherigen Lösungsansätzen besteht der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung vor allem darin, den bislang gültigen, allgemeinen Zusammenhang für Halbleiterbau elemente, gemäß dem die Einsatzspannung bei einem steuerbaren Halbleiterbauelement mit steigender Temperatur sinkt, zu durchbrechen. Erfindungsgemäß wird dabei die Eigenschaft ei nes dotierten Bereiches innerhalb der Bodyzone, insbesondere innerhalb der Kanalzone, so abgeändert, dass die Temperatur abhängigkeit der Einsatzspannung beseitigt bzw. zumindest weitestgehend verringert wird.

Erfindungsgemäß werden additiv zur oder anstelle der Hinter grunddotierung der Bodyzone bzw. der Kanalzone zusätzliche Dotierelemente gleicher Polarität eingebracht. Unter Hinter grunddotierung ist diejenige Dotierung zu verstehen, die "normal" dotierende Dotierstoffe aufweist, deren Energieni veau in der Größenordnung der thermischen Anregungsenergie liegt, die also bei Raumtemperatur vollständig ionisiert sind. Solche Elemente sind im Falle einer p-dotierten Bodyzo ne z. B. Bor oder Aluminium und im Falle einer n-dotierten Bodyzone z. B. Arsen oder Phosphor.

Das Energieniveau der zusätzlichen Dotierelemente weist hin gegen einen relativ großen Abstand zu dem entsprechendem Va lenzband bzw. Leitungsband auf. Es wird hier die Eigenschaft ausgenutzt, dass für solche Dotierelemente nur ein Bruchteil der Ladungsträger bei Raumtemperatur in das jeweilige Lei tungsband angeregt, d. h. ionisiert ist und dass dieser Bruch teil sehr stark von der Temperatur abhängt. Dieser physikalische Mechanismus ist als unvollständige Ionisation bekannt. Es werden also Dotierelemente bereitgestellt, die unter "nor malen" Bedingungen, d. h. bei Raumtemperatur des Halbleiter bauelementes, nur zum Teil ionisiert sind. Der Abstand des Dotierstoffniveaus dieser Elemente von der jeweiligen Band kante legt dabei den Ionisationsgrad sowie die thermische Ge nerationsrate fest. Derartige Elemente werden nachfolgend auch als Elemente mit unvollständiger Ionisation oder unvoll ständig ionisierte Elemente bezeichnet. Mit steigender Tempe ratur steigt deren Ionisationsgrad, d. h. es wird eine zuneh mende Anzahl an freien Ladungsträger freigesetzt. Die tempe raturbedingte Abnahme der Einsatzspannung, die durch die Kon zentration der im Bereich der Kanalzone vorgesehenen elekt risch wirksamen, aktiven Dotieratome bestimmt wird, kann durch die unvollständig ionisierten Elemente teilweise oder exakt kompensiert werden.

Für die Einstellbarkeit der Einsatzspannung reicht es aus, wenn die unvollständig ionisierten Dotierstoffe lediglich in der Kanalzone angeordnet sind, also dort, wo sich der durch Ladungsinversion hervorgerufene stromführende Kanal ausbil det. Bei zunehmender Temperatur ist ein höherer Anteil der unvollständig ionisierten Dotierelemente ionisiert, was einer Erhöhung der Einsatzspannung gleichkommt.

Nach dem Einschalten des Halbleiterbauelementes kommt ein weiterer Effekt hinzu: Beim Einschalten des Halbleiterbauele mentes bildet sich unter Einwirkung des elektrischen Feldes im Randbereich der Bodyzone bzw. der Kanalzone eine Raumla dungszone aus. Das elektrische Feld in der Raumladungszone sorgt dafür, das die unvollständig ionisierten Dotierstoffe dort allmählich vollständig ionisiert und die freien Ladungs träger abgesaugt werden, so dass nach einer gewissen Zeit sämtliche unvollständig ionisierten Dotierstoffe in der Raum ladungszone ionisiert und abgesaugt sind. Dadurch steigt auch bei gleichbleibender Temperatur, zum Beispiel bei Raumtemperatur, die Einsatzspannung unter Einwirkung des elektrischen Feldes an.

Da es zur Modulierung der Einsatzspannung darauf ankommt, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe im Bereich der stromführenden Kanalzone eingebracht sind, weisen in ei ner vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Bodyzonen Bereiche auf, die ausschließlich die Hintergrunddotierung enthalten. Diese Bereiche werden beispielsweise durch sämtli che Bereiche der Bodyzone außerhalb der Kanalzone gebildet.

In einer typischen und sehr einfach herstellbaren Ausgestal tung weisen die Bodyzone und/oder die Kanalzone jeweils Be reiche mit der Hintergrunddotierung und zugleich auch unvoll ständig ionisierte Dotierstoffe auf.

In einer speziellen Ausführung sind innerhalb der Bodyzone und/oder der Kanalzone Bereiche vorgesehen, in die aus schließlich Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation ein gebracht sind. Es wäre auch denkbar, dass die gesamte Bodyzo ne bzw. die gesamte Kanalzone unvollständig ionisierte Do tierstoffe aufweist.

Der Dotierstoff mit unvollständiger Ionisation und vorteil hafterweise auch der Dotierstoff der Hintergrunddotierung ist in einer sehr einfachen Ausgestaltung weitestgehend gleichmä ßig innerhalb der Bodyzonen verteilt. Es wird so gewährleis tet, dass die unvollständig ionisierten Ionen eben auch im Bereich der Kanalzone angeordnet sind. Dadurch wird ein ein facherer Prozess zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halb leiterbauelementes bereitgestellt, bei dem in Kauf genommen wird, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe auch in den Bodybereichen außerhalb der Kanalzone, in denen sie ei gentlich nicht benötigt werden, eingebracht werden. Es kann hier aber auf einen eigens für die Kanaldotierung vorgesehe nen Dotierprozess verzichtet werden, indem die Dotierstoffe unter Zuhilfenahme desselben Dotierprozesses zur Herstellung der Bodyzone eben dort eingebracht werden.

Neben den oben beschriebenen Effekten der Temperaturabhängig keit der Einsatzspannung sowie der Änderung der Einsatzspan nung bei angelegtem elektrischen Feld, d. h. bei angelegter Gatespannung, kann in einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung auch die Kanallänge und/oder die Kanalweite modu liert werden.

Dazu weist die Bodyzone im Bereich der Kanalzone vorteilhaft erweise einen ersten und einen zweiten Kanalzonenbereich auf. Der erste Kanalzonenbereich weist eine typische Dotierungs konzentration, beispielsweise die Hintergrunddotierung, auf. Der zweite Kanalzonenbereich weist Dotierstoffe mit unvoll ständiger Ionisation auf, so dass bei Raumtemperatur eine ge ringere Dotierungskonzentration elektrisch aktiver Dotier stoffe vorhanden ist als im ersten Kanalzonenbereich. Der zweite Kanalzonenbereich weist somit im Vergleich zum ersten Kanalzonenbereich einen niedrigeren differentiellen Kanalwi derstand auf.

Bei der Modulation der Kanalweite sind beispielsweise die ersten und zweiten Kanalzonenbereiche parallel nebeneinander und jeweils zwischen der Drainzone und der Sourcezone ange ordnet. Im Falle von hexagonalen Zellen können beispielsweise drei erste und drei zweite Kanalzonenbereiche vorgesehen sein, die propellerartig um die Sourcezone angeordnet sind. Die effektive Kanalweite ergibt sich dann zunächst aus den Bereichen mit der niedrigsten Dotierungskonzentration, also aus den ersten Kanalzonenbereichen. Mit zunehmendem elektri schen Feld dringt die Raumladungszone stärker in den zweiten Kanalzonenbereich ein, wodurch die noch nicht ionisierten Do tierstoffe dort mit der Zeit vollständig ionisiert werden. Je nach gewählten Dotierungskonzentration bzw. je nach den Do tierungsverhältnissen in den ersten und zweiten Kanalzonenbereichen ergibt sich dann eine Vergrößerung oder eine Verrin gerung der Kanalweite.

Im Falle der Modulation der Kanallänge sind beispielsweise die ersten und zweiten Kanalzonenbereiche ebenfalls parallel nebeneinander, wobei die Kanalzone sich jeweils aus ersten und zweiten Bereichen ergibt. Im Falle von hexagonalen oder runden Zellen können die beiden Kanalzonenbereiche jeweils kreisringförmig um dies jeweiligen Sourcezonen angeordnet sein. Die effektive Kanallänge ergibt sich wiederum aus den Bereichen mit der niedrigsten Dotierungskonzentration, also aus den ersten Kanalzonenbereichen. Mit zunehmendem elektri schen Feld dringt die Raumladungszone stärker in den zweiten Kanalzonenbereich ein, wodurch die noch nicht ionisierten Do tierstoffe dort mit der Zeit vollständig ionisiert werden. Die Kanallänge vergrößert sich somit.

Auf diese Weise lässt sich bei geeigneter Anordnung der bei den Kanalzonenbereiche in sehr vorteilhafter Weise eine Modu lierung der effektiven Kanallänge und/oder der effektiven Ka nalweite erreichen. Es lassen sich hier zusätzliche vorteil hafte Einsatzmöglichkeiten erdenken: Beispielsweise könnte durch einen Palladiumring, der um eine normal dotierte Kanal zone angeordnet ist, eine Kanalverlängerung erzielt werden, was insbesondere im Kurzschlussfall einen besseren Schutz für das Halbleiterbauelement bietet.

Als n-dotierendes Element mit unvollständiger Ionisation eig net sich vor allem Selen, als p-dotierendes Element vor allem Palladium. Diese Elemente weisen bei Raumtemperatur einen Io nisationsgrad von etwa 10-20% auf. Jedoch sei die Erfindung nicht auf diese Elemente beschränkt. Vielmehr könnten an Stelle dieser Elemente auch andere unvollständig ionisierte Elemente verwendet werden. Zum Beispiel könnte als n- dotierendes Element auch Wismut, Titan, Tantal, etc. verwen det werden. Alternativ könnte als p-dotierendes Element auch Indium, Thallium, etc. verwendet werden.

Das Halbleiterbauelement weist typischerweise ein Zellenfeld mit einer Vielzahl von Zellen auf, wobei in jeder Zelle min destens einen Einzeltransistor angeordnet ist. Diese Einzel transistoren, die über ihre Laststrecken parallel geschaltet und über eine gemeinsame Ansteuerung steuerbar sind, definie ren einen aktiven Bereich. Im aktiven Bereich des Zellenfel des ist ein erster Bereich vorhanden, in dem die Dotierungs konzentration der unvollständig ionisierten Elemente niedri ger ist als in den übrigen Bereichen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass nicht alle Zellen des Zellenfel des gleichzeitig eingeschaltet werden, sondern ein Teil der Zellen schaltet bedingt durch die effektiv geringere Dotie rungskonzentration früher ein. In einer alternativen Ausges taltung könnten beispielsweise Zellen mit einer hohen und Zellen mit einer niedrigeren Einsatzspannung mehr oder weni ger gleichmäßig im gleichen Zellenfeld verteilt werden. Da durch könnte die Strom-Spannungs-Kennlinie eine abgerundetere Schaltflanke aufweisen, was insbesondere auch hinsichtlich einer verbesserten EMV-Verträglichkeit von Vorteil ist.

Vorteilhafterweise weisen die Zellen des Zellenfeldes ein he xagonales Layout auf, welches in der Oberfläche die dichteste Packung aufweist. Jedoch wäre auch jedes andere Layout, wel ches beispielsweise runde, ovale, quadratische, dreieckige, rechteckige, streifenförmige oder mäanderförmige Zellen auf weist, denkbar.

Der Halbleiterkörper besteht vorteilhafterweise aus kristal linem Silizium. Jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch bei anderen Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium karbid, Galliumarsenid, Germanium, etc., anwendbar.

Die Erfindung eignet sich für alle Halbleiterbauelemente, bei denen zum Zwecke der Modulierung der Einsatzspannung bzw. der Kanallänge und/oder der Kanalweite Elemente mit unvollständi ger Ionisation eingebracht werden. Die Erfindung eignet sich also insbesondere im Kanalbereich von Leistungshalbleiterbau elementen, wie z. B. MOSFETs - insbesondere Leistungs-MOSFETs oder als Kompensationsbauelement ausgebildete MOSFETs -, bei denen sich die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung am gravierendsten auf deren Funktionsweise auswirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mit tel zur Einsatzspannungsmodulation aufweist;

Fig. 2 die Abhängigkeit der Einsatzspannung U_T in Abhän gigkeit von der Temperatur bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und einem erfindungsgemä ßen MOSFET nach Fig. 1 unmittelbar beim Einschal ten (b);

Fig. 3 das Gatepotenzial in Abhängigkeit von der Zeit für Ein-/Ausschaltvorgänge bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und einem erfindungsgemäßen MOSFET (b) nach Fig. 1;

Fig. 4 in einem Teilschnitt ein zweites Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanallängenmodulation aufweist;

Fig. 5 in einem Teilschnitt ein drittes Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanalweitenmodulation aufweist;

Fig. 6 in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der hier als Kompensationsbauelement ausgebildet ist;

Fig. 7 in einem Teilschnitt ein fünftes Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen IGBTs.

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktions gleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen MOSFET. Der MOSFET ist hier als n-Kanal Leistung-D-MOSFET ausgebildet.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Halbleiterkörper - beispielsweise eine einkristalline Siliziumscheibe - bezeichnet. Der Halb leiterkörper 1 weist eine erste Oberfläche 2, die sogenannte Scheibenvorderseite, und eine zweite Oberfläche 3, die soge nannte Scheibenrückseite, auf. Der Halbleiterkörper 1 weist eine an beide Oberflächen 2, 3 angrenzende, n-dotierte Zonen 4a, 4b auf. Die Zonen 4a, 4b enthalten eine schwach n- dotierte Innenzone 4a, die an die erste Oberfläche 2 angrenzt und die als Driftstrecke des Leistungs-MOSFETs dient. Ferner enthalten die Zonen 4a, 4b eine an die Innenzone 4a angren zende, stark n-dotierte Drainzone 4b, die an der zweiten O berfläche 3 über eine großflächig auf die Oberfläche 3 aufge brachte Drain-Metallisierung 12 mit dem Drainanschluss D ver bunden ist.

An der entgegengesetzten Oberfläche 2 sind mehrere p-dotierte Bodyzonen 5 wannenförmig in die Innenzone 4a eingebettet. In jeweils eine Bodyzone 5 sind eine oder mehrere stark n- dotierte Sourcezonen 6 eingebettet. Die Bodyzonen 5 und Sour cezonen 6 können in bekannter Art und Weise durch Ione nimplantation oder Diffusion in den Halbleiterkörper 1 einge bracht werden. Die Bodyzonen 5 sind an der Oberfläche 2 voneinander durch eine Zwischenzone 7, die Bestandteil der In nenzone 4a ist, beabstandet. Oberhalb der Zwischenzonen 7 ist jeweils eine Gateelektrode 8 vorgesehen, die lateral verlau fend bis oberhalb der Sourcezonen 6 reicht. Die Gateelektro den 8 sind gegen die Oberfläche 2 über ein dünnes Gateoxid 9 isoliert. Die Bereiche der Bodyzone 5, die unterhalb der Ga teelektroden 8 angeordnet sind, definieren somit eine Kanal zone 10, in der sich bei Anlegen eines Gatepotenzials an den Gateanschluss G ein durch Ladungsinversion hervorgerufener, stromführender Kanal ausbilden kann. Ferner ist eine Source- Metallisierung 11 vorgesehen, die die Sourcezonen 6 und Body zonen 5 über einen Nebenschluss, der hier als Kontaktlochkon taktierung ausgebildet ist, elektrisch kontaktiert. Die Sour ce-Metallisierung 11 ist gegen die Gateelektrode 8 über ein Schutz-Oxid 13 beabstandet. Die Source-Metallisierung 11 ist an der Scheibenvorderseite 2 mit einem Sourceanschluss S, die Gateelektrode 8 mit einem Gateanschluss G verbunden.

Die Gateelektroden 8 bestehen typischerweise aus Polysilizi um, jedoch können sie auch aus einem anderen Material, bei spielsweise aus Metall oder Silizid, bestehen, wenngleich diese Materialien herstellungstechnisch und aufgrund deren physikalischen und elektrischen Eigenschaften nicht so vor teilhaft sind wie hochdotiertes Polysilizium. Gleichsam kann für das Gateoxid 9 und Schutz-Oxid 13 statt Siliziumdioxid (SiO₂) auch jedes andere isolierende Material, beispielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄), Verwendung finden, jedoch ist ther misch hergestelltes Siliziumdioxid insbesondere bei Verwen dung als Gateoxid 9 qualitativ am hochwertigsten und deshalb vorzuziehen. Als Source-Metallisierung 11 und Drain- Metallisierung 12 wird typischerweise Aluminium verwendet, jedoch könnte hier auch jedes andere hochleitfähige Material, das einen guten Kontakt zu dem Halbleiterkörper gewährleis tet, verwendet werden.

Im Layout des Halbleiterkörpers 1 bezeichnen die mit Gate elektroden 8 sowie mit Bodyzonen 5 und Sourcezonen 6 bedeckten Bereiche das aus einer Vielzahl von Zellen bestehende Zellenfeld eines MOSFETs, wobei in Fig. 1 ausschnittsweise nur drei Zellen dargestellt sind. Jeweils eine Zelle beinhal tet einen Einzeltransistor. Die Parallelschaltung der Last strecken der Vielzahl von Einzeltransistoren ergibt den Leistungs-MOSFET.

Die Bodyzonen 5 weisen eine p-Hintergrunddotierung auf. Er findungsgemäß weisen die Bodyzonen 5 im Bereich der Kanalzo nen 10 neben der p-Hintergrunddotierung auch unvollständig ionisierte p-dotierende Dotierstoffe 16 (Kreuze) auf. In ei ner alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die unvoll ständig ionisierten Elemente 16 zusätzlich auch in den übri gen Bereichen der Bodyzone 5 angeordnet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere aus herstellungstechnischen Gründen vorteil haft, da hier die unvollständig ionisierten Dotierstoffe 16 und die Dotierstoffe der Hintergrunddotierung unter Verwen dung desselben lateral strukturierten Dotierungsprozesses in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden können. Da die Ele mente mit unvollständiger Ionisation typischerweise einen re lativ hohen Diffusionskoeffizienten aufweisen, bietet es sich hier an, einen zweistufigen Dotierungsprozess heranzuziehen. In der ersten Stufe wird dabei zunächst der normal dotierende Dotierstoff, zum Beispiel Bor, über die strukturierte Gatee lektrode implantiert und nachfolgend teilweise in den Halb leiterkörper eindiffundiert. In der zweiten Stufe wird an schließend der Dotierstoff mit unvollständiger Ionisation im plantiert und gegebenenfalls kurz eindiffundiert. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Wesentlich ist, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe 16 lediglich in dem Bereich der Bodyzone 5 eingebracht sind, der für die Einsatzspannung des MOSFETs wirksam ist. Dies ist in aller Regel der unmittelbare oberflächennahe Bereich der Kanalzone 10, in dem sich nämlich die Ladungsinversion zuerst ausbil det.

Bei einem n-Kanal-MOSFET, bei dem die Bodyzone 5 p-dotiert ist, wird also in der Bodyzone 5 ein üblicherweise verwende tes p-dotierendes Element wie Bor oder Aluminium als Hinter grunddotierung enthalten, während als p-dotierendes Element mit unvollständiger Ionisation 16 vorzugsweise Palladium ver wendet wird.

Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Mechanismus anhand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben, wobei ein Halbleiterbau element entsprechend Fig. 1 zugrunde gelegt ist:
Fig. 2 zeigt die Einsatzspannung U_T in Abhängigkeit von der Temperatur T bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (a) und einem erfindungsgemäßen MOSFET nach Fig. 1 unmittelbar beim Einschalten (b). Es zeigt sich, dass bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (Kurve (a)), bei dem die Bor- Hintergrunddotierung für die Höhe der Einsatzspannung U_T re levant ist, sich eine im wesentlichen linear abnehmende Kurve (a) der Einsatzspannung U_T ergibt. Bei einem erfindungsgemä ßen MOSFET weist das Bodygebiet 5 im Bereich der Kanalzone 10 neben der Bor-Hintergrunddotierung zusätzlich auch eine Pal ladium-Dotierung, also einen Dotierstoff mit unvollständiger Ionisation 16, auf (Kurve (b)) Die Einsatzspannung U_T ist hier also gegeben durch die Bor-Hintergrunddotierung sowie die elektrisch aktive, d. h. ionisierte Palladium-Dotierung.

Kurve (b) weist gegenüber der Kurve (a) mit zunehmender Tem peratur T eine (betragsmäßig) geringere Steigung auf. Ursache hierfür ist die Tatsache, dass bei hoher Temperatur T der Io nisationsgrad von Palladium und damit derjenige Palladiuman teil, der zur elektrisch aktiven Gesamtkonzentration in der Kanalzone 10 beiträgt, größer ist. Bei sehr hohen Temperatu ren T sind nahezu alle Palladiumatome ionisiert und die e lektrisch aktive Gesamtkonzentration ergibt sich aus der Sum me der Bor- und Palladium-Dotierungen in der Kanalzone 10.

Die Steigung der Kurve lässt sich durch geeignete Wahl der Dotierelemente mit unvollständiger Ionisation einstellen. Strebt man beispielsweise an, bei 25°C und 125°C die gleiche Einsatzspannung UT zu erreichen, ergibt sich am Beispiel ei ner Bor (B) und Palladium (Pd) dotierten Schicht, folgende Beziehungen für die Konzentrationsverhältnisse:

N_akt(25°C) = N_akt (125°C) (6)

N_akt,ges(T) = N_akt,B(T) + N_akt,Pd(T) (7)

N_akt,B(T) ≅ N_akt,B ≅ N_dot,B (8)

N_akt,Pd(T) ≅ N_dot,Pd exp(-ΔE_Pd/kT) (9)

Dabei ist mit Ndot die dotierte Gesamtkonzentration und mit Nakt die elektrisch aktive Dotierungskonzentration bezeichnet, wobei die Gleichungen jeweils für eine Temperatur im Be triebstemperaturbereich eines Halbleiterbauelementes gelten. ΔE_Pd bezeichnet den Bandabstand von Palladium zur Vallenz bandkante, der bei Palladium 340 meV beträgt. kT ist das ther mische Potential, welches bei 25°C etwa 25 meV und bei 125°C etwa 37 meV beträgt.

Bei geeigneter Variation der Dotierungsverhältnisse, bei spielsweise indem der Anteil der Palladiumatome gegenüber dem Anteil der Boratome vergrößert wird, könnte gegebenenfalls sogar eine Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung U_T er zielt werden, die bei zunehmender Temperatur keine Tempera turabhängigkeit zeigt, d. h. hier wäre U_T = const. Es wäre sogar ein Kurve denkbar, bei der die Einsatzspannung U_T - in nerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs - mit zunehmender Temperatur steigt (in Fig. 2 nicht dargestellt). Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in der Kanalzone 10 ausschließlich unvollständig ionisierte Dotierstoffe 16 verwendet werden.

Dieser anhand von Fig. 2 beschriebene Effekt eröffnet die Möglichkeit, die Kanaleigenschaften eines MOSFETs in ver schiedenster Weise zu variieren. Der Anteil der unvollständig ionisierten Atome ist temperaturabhängig. Bei tiefen Temper aturen ist nur ein kleiner Teil ionisiert und damit elekt risch aktiv, während bei höheren Temperaturen der Aktivie rungsanteil entsprechend exp(-E_akt/kT) steigt, wobei Eakt die Energielücke des Dotierstoffes zur Leitungsbandkante ist und T die Temperatur in Kelvin bezeichnet. Auf diese Weise lässt sich die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung U_T(T) zu mindest teilweise kompensieren.

Während der Schaltvorgänge verändert sich mit der zwischen Sourcezone 6 und Drainzone 4b anliegenden Drain-Source- Spannung auch die Weite der Raumladungszone in der p- dotierten Bodyzone 5 und in der Kanalzone 10. Insbesondere im Kurzschlussbetrieb tritt durch den Felddurchgriff eine dyna mische Verkürzung der Kanallänge ein. Innerhalb der Raumla dungszone werden zeitverzögert die gegebenenfalls dort vor handenen Elemente mit unvollständiger Ionisation vollständig ionisiert.

Mittels des letztgenannten Effektes lässt sich vorteilhafter weise das Ein- und Ausschaltverhalten bei einem MOSFET güns tig modifizieren. Dies sei anhand von Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt das zeitabhängige Gatepotenzial VG für Ein- /Ausschaltvorgänge bei einem MOSFET nach dem Stand der Tech nik (a) und bei einem erfindungsgemäßen MOSFET (b).

Bei einem Einschaltvorgang (I) steigt das Gatepotenzial VG zunächst entsprechend der Gatekapazität bis zum Erreichen des Millerplateaus 17 an. Dort bleibt das Gatepotenzial VG solan ge konstant, bis die Gatekapazität des MOSFETs vollständig aufgeladen ist. Für den eigentlichen Einschaltvorgang ist nun das Gatepotenzial VG ab dem Millerplateau 17 relevant, wobei dieses Potenzial von dem MOSFET-Treiber bereitgestellt werden muss. Das effektive Einschaltpotenzial ΔVG = VG2 - VG1 ist also das Potenzial VG2, welches vom Treiber bereitgestellt wird, abzüglich dem Potenzial VG1, welches dem Millerplateau 17 entspricht. Der Ausschaltvorgang (II) erfolgt umgekehrt zu diesem Vorgang. Bei einem MOSFET nach dem Stand der Technik (Fig. 3(a)) wird das Gatepotenzial beim Einschalten des MOS- FETs also in gleicher Weise aufgeladen (I) wie es beim Aus schaltvorgang (II) entladen wird.

Demgegenüber unterscheiden sich die Auflade- und Entladekur ven bei einem erfindungsgemäßen MOSFET, bei dem in der Kanal zone 10 Palladiumatome eingebracht wurden (siehe Fig. 3(b)). Es lassen sich dadurch MOSFETs konzipieren, die beim Ein schalten eine kleine Einsatzspannung (niedriges Millerplateau 17) und beim Ausschalten eine große Einsatzspannung (hohes Millerplateau 17) aufweisen. Ist das Millerplateau 17 niedrig (VG1'), dann steht ein großes effektives Potenzial ΔVG' zur Verfügung. Beim Ausschalten ist dies umgekehrt, dass heißt hier steht bei einem hohen Potenzial (VG1") des Millerpla teaus 17 entsprechend auch ein großes effektives Potenzial ΔVG" zum Ausschalten zur Verfügung. In Phase II sind die Palladiumatom in der Raumladungszone unterhalb der Kanalzone 10 komplett ionisiert, d. h. die Einsatzspannung U_T ist gestiegen und damit auch das Millerplateau 17. Beim Ausschalten ist die verbleibende Treiberspannung aber das Potenzial des Millerplateaus 17. Wenn nun beim Ausschalten (II) das Potenzial VG1" des Millerplateaus 17 höher liegt, ist das treibende Potenzial auch größer und folglich der Ausschaltvorgang (II) vorteilhafterweise schneller.

Fig. 4 zeigt in einem Teilschnitt ein zweites Ausführungs beispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanallängenmodulation aufweist.

Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 weist die Bodyzone 5 in Fig. 4 zwei unterschiedliche Bereiche 5a, 5b gleicher Polarität auf. In dem ersten Bereich 5a der Body zone 5 sind ausschließlich Dotierstoffe der Hintergrunddotierung, zum Beispiel Boratome, vorgesehen. In einem zweiten Be reich 5b der Bodyzone 5 sind hingegen lediglich Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation, beispielsweise Palladiumato me, vorgesehen. Es sei angenommen, dass die Dotierungskon zentration von Bor und Palladium in den jeweiligen Bereichen 5a, 5b gleich groß ist.

Im vorliegenden Fall sind beide Bereiche 5a, 5b wannenförmig ausgebildet, wobei der erste Bereich 5a vom zweiten Bereich 5b umhüllt ist. Die beiden Bereiche 5a, 5b treten zumindest an einer Stelle, die von der Gateelektrode 8 überdeckt ist, an die Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1, so dass dort ei ne zusammenhängende Kanalzone 10 definiert ist. Die zusammen hängende Kanalzone 10 besteht also aus Teilen des ersten und aus Teilen des zweiten Bereichs 5a, 5b, das heißt sie weist einen ersten Kanalzonenbereich 10a auf, der - bei Raumtempe ratur und im ausgeschalteten Zustand - ausschließlich voll ständig ionisierte Dotierstoffe aufweist und einen zweiten Kanalzonenbereich 10b, der ausschließlich unvollständig ioni sierte Dotierstoffe 16 aufweist.

Wird nun ein Gatepotenzial an den Gateanschluss G und eine Drain-Source-Spannung an die Anschlüsse D, S gelegt, dann bildet sich ein durch Ladungsinversion hervorgerufener strom führender Kanal in der Kanalzone 10 aus. Da im zweiten Kanal zonenbereich 10b die elektrisch aktive Dotierungskonzentrati on aufgrund des geringeren Ionisationsgrades geringer ist als im ersten Kanalzonenbereich 10a, weist der erste Kanalzonen bereich 10a unmittelbar nach dem Einschalten einen größeren Kanalwiderstand auf.

Die Bodyzone 5 in Fig. 4 lässt sich natürlich auch in geeig neter Weise verändern, dass heißt die Bereiche 5a, 5b müssen nicht notwendigerweise dieselben Dotierungskonzentration auf weisen. Ferner können in dem ersten Bereich 5a auch Palladi umatome und/oder in dem zweiten Bereich 5b auch Boratome vor gesehen sein. Herstellungstechnisch besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Bereich 5a sowohl Bor als auch Palladium aufweist. Die zweiten Bereiche 5b können dann - aufgrund des höheren Diffusionskoeffizienten von Palladium - durch Ausdif fusion von Palladium aus dem ersten Bereich 5a erzeugt wer den.

Fig. 5 zeigt in einem Teilschnitt ein drittes Ausführungs beispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET, der Mittel zur Kanalweitenmodulation aufweist.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4 weist die Bo dyzone 5 in Fig. 5 ebenfalls zwei unterschiedliche Bereiche 5c, 5d gleicher Polarität, jedoch mit unterschiedlichen Do tierstoffen auf. In dem ersten und zweiten Bereich 5c, 5d ist eine generelle Bor-Hintergrunddotierung vorgesehen, während im zweiten Bereich 5d zusätzlich eine Palladiumdotierung vor gesehen ist.

Jedoch sind unterhalb der Gateelektroden 8 entweder erste Be reiche 5c oder zweite Bereiche 5d vorgesehen, so dass dort entweder erste oder zweite Kanalzonenbereiche 10c, 10d ange ordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der MOSFET im Layout hexagonale Zellen aufweist, dass heißt die Bodyzonen 5 weisen im Layout eine hexagonale Form auf (Detail (a) zu Fig. 5). Die ersten und zweiten Bereiche 5c, 5d sind abwech selnd zueinander angeordnet und bilden innerhalb der Bodyzo nen 5 vorteilhafterweise ein dreiflügeliges Muster. Wie oben bei der Kanallängenmodulation ausgeführt, wird hier die Pal ladiumdotierung in den zweiten Bodyzonenbereichen 5c bzw. in den zweiten Kanalzonenbereichen 10d, zeitlich verzögert ak tiv. Dadurch verringert sich die effektive Kanalweite des MOSFETs.

Bei entsprechender Dimensionierung der MOSFETs entsprechend den Fig. 4 und 5 sowie bei geeigneter Wahl der Dotierungs konzentrationen in den Bodyzonenbereichen 5a-5d bzw. in den Kanalzonenbereichen 10a-10d lässt sich auch eine Verringerung der effektiven Kanalweite bzw. der effektiven Kanallänge erzielen.

Fig. 6 zeigt in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungs beispiel eines erfindungsgemäßen n-Kanal D-MOSFET. Im Unter schied zu dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist in Fig. 5 der Leistungs-MOSFET als Kompensationsbauelement ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Innenzone 4a als Kompensationsschicht 20 ausgebildet. Die Kompensationsschicht 20 weist p-dotierte Ausräumzonen 21 und n-dotierte Komplementärausräumzonen 22 auf. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Kompensations bauelemente ist vielfach, so dass nachfolgend auf eine de taillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Bezüglich weiterer Ausführungsbeispiele wird auch auf die eingangs er wähnten US 5,216,275, US 4,754,310, WO 97/29518, DE 43 09 764 C2 und DE 198 40 032 C1 verwiesen, deren Gegenstände vollin haltlich in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen werden.

In Fig. 6 sind die Ausräumzonen 21 und Komplementärausräum zonen 22 der Kompensationsschicht 20 nicht an die rückseitige Drainzone 4b angeschlossen, dass heißt zwischen den Zonen 21, 22 ist noch eine schwach n-dotierte Driftzone 23 angeordnet. Die Zonen 21, 22 sind somit in der Kompensationsschicht 20 mehr oder weniger floatend ausgebildet. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass diese Zonen 21, 22 selbstverständlich auch an die Drainzone 4b angeschlossen sein können. Darüber hinaus sind die Zonen 21, 22 auf das Raster des Zellenfeldes jus tiert, jedoch wäre auch eine nicht zellenfeldjustierte Anord nung dieser Zonen 21, 22 denkbar.

Fig. 7 zeigt in einem Teilschnitt ein fünftes Ausführungs beispiel, bei dem das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als n-Kanal IGBT ausgebildet ist. Im Unterschied zu einem herkömmlichen Leistungs-MOSFET entsprechend Fig. 1 weist der IGBT zwischen der n-dotierten Drainzone 4b und der Scheibenrückseite 3 noch eine p-dotierte Anodenzone 23, die von einer Anodenelektrode 24 kontaktiert ist, auf.

Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf die Ausführungs beispiele gemäß der Fig. 1, 4 bis 7 beschränkt. Vielmehr können dort beispielsweise durch Austauschen der Leitfähig keitstypen n gegen p und umgekehrt sowie durch Variation der Dotierungskonzentrationen eine Vielzahl neuer Bauelementvarianten angegeben werden.

In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden jeweils ver tikal ausgebildete Halbleiterbauelemente beschrieben. Jedoch sei die Erfindung nicht auf vertikale Halbleiterbauelemente beschränkt, sondern ließe sich bei entsprechender Anpassung der Strukturen auch auf laterale Halbleiterbauelemente anwen den. Ferner wurde die Erfindung anhand von MOSFETs mit Zel lenstruktur beschrieben, jedoch ist sie bei diskreten Halb leiterbauelementen gleichermaßen anwendbar.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch das Ein bringen von dotierenden Elementen mit unvollständiger Ionisa tion in gleich dotierte Bodyzonen bzw. Kanalzonen in völliger Abkehr von bekannten Halbleiterbauelementen ein neues Bauele ment angegeben werden kann, bei dem die Einsatzspannung eine geringe Temperaturabhängigkeit zeigt.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Be schreibung so dargelegt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglichst zu erklären, jedoch lässt sich die vorliegende Erfindung im Rahmen des fachmänni schen Handelns und Wissens in geeigneter Weise abwandeln.

Bezugszeichenliste

1

Halbleiterkörper

2

erste Oberfläche, Scheibenvorderseite

3

zweite Oberfläche, Scheibenrückseite

4

a Innenzone

4

b Drainzone

5

Bodyzone

5

a-

5

d Bodyzonenbereiche

6

Sourcezone

7

Zwischenzone

8

Gateelektrode

9

Dielektrikum, Gateoxid

10

Kanalzone

10

a-

10

d Kanalzonenbereiche

11

Sourceelektrode, Source-Metallisierung

12

Drainelektrode, Drain-Metallisierung

13

Schutzoxid

16

unvollständig ionisierte Dotierstoffe (Kreuze)

17

Millerplateau

18

pn-Übergang

20

Kompensationszone

21

Ausräumzonen

22

Komplementärausräumzonen

23

Anodenzone

24

Anodenelektrode

25

Driftzone
I Einschaltvorgang
II Ausschaltvorgang
D Drainanschluss
G Gateanschluss
S Sourceanschluss
VG Gatepotenzial
VG1, VG1', VG1" Gatepotenzial auf dem Millerplateau
VG2 Treiberpotenzial
ΔVG, ΔVG', MG" Einsatzspannungspotenzial
U_T

Einsatzspannung
t Zeit
T Temperatur

Claims

1. In einem Halbleiterkörper (1) angeordnetes, durch Feldef fekt steuerbares Halbleiterbauelement,
mit mindestens einer Sourcezone (6) und mit mindestens einer Drainzone (4a, 4b) vom jeweils ersten Leitungstyp,
mit mindestens einer jeweils zwischen Sourcezone (6) und Drainzone (4a, 4b) angeordneten Bodyzone (5) vom zweiten Lei tungstyp,
mit mindestens einer Gateelektrode (8), über die bei Anlegen eines Gate-Potenzials (VG) an die Gateelektrode (8) eine stromführende Kanalzone (10) in der Bodyzone (5) ausbildbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodyzone (5) erste Dotierstoffe und zweite Dotier stoffe (16) des zweiten Leistungstyps aufweist, wobei die ersten Dotierstoffe bei Raumtemperatur vollständig ionisiert sind und die zweiten Dotierstoffe (16) bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind und deren Ionisationsgrad mit stei gender Temperatur zunimmt.

2. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Dotierstoffe (16) zumindest in der stromfüh renden Kanalzone (10) der Bodyzone (5) vorgesehen sind.

3. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bodyzonen (5) ein erster Bereich (5a, 5c) vorgesehen ist, der ausschließlich erste Dotierstoffe auf weist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Bodyzonen (5) ein zweiter Bereich (5) vor gesehen ist, der sowohl erste als auch zweite Dotierstoffe aufweist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) und/oder die Kanalzone (10) ausschließ lich Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation (16) auf weist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und die zweiten Dotierstoffe (16) weitestge hend gleichmäßig innerhalb der Bodyzonen (5) verteilt sind.

7. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanalzone (10) einen ersten Kanalzonenbereich (10a, 10c) und einen zweiten Kanalzonenbereich (10b, 10d) aufweist,
wobei der erste Kanalzonenbereich (10a, 10c) bei Raumtempera tur eine höhere Dotierungskonzentration elektrisch aktiver Dotierstoffe aufweist als der zweite Kanalzonenbereich (10b, 10d) und wobei der zweite Kanalzonenbereich (10b, 10d) zweite Dotierstoffe (16) aufweist.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanalzonenbereiche (10a, 10b) in Richtung der Kanallänge bzw. in Stromflussrichtung nebeneinander und an einander angrenzend angeordnet sind.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kanalzonenbereiche (10c, 10d) in Richtung der Kanalweite bzw. senkrecht zur Stromflussrichtung nebeneinan der und aneinander angrenzend angeordnet sind.

10. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Randbereich der Bodyzone (5) und/oder der Ka nalzone (10), in den die Raumladungszone bei angelegter Span nung eindringt, die Gesamtzahl der ionisierten zweiten Do tierstoffe mit zunehmendem elektrischen Feld zunimmt.

11. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) eine p-Dotierung aufweist und dass der zweite Dotierstoff (16) Palladium ist.

12. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodyzone (5) eine n-Dotierung aufweist und dass der zweite Dotierstoff (16) Selen ist.

13. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement aus einer Vielzahl in Zellen eines Zellenfeldes angeordneter Einzeltransistoren bestehen, die über ihre Laststrecken parallel geschaltet sind, die über eine gemeinsame Ansteuerung (G) steuerbar sind und die somit einen aktiven Bereich definieren, wobei innerhalb des Zellen feldes Bodyzonen (5) vorhanden ist, in denen die Dotierungs konzentration der zweiten Dotierstoffe (16) höher ist als in den Bodyzonen (5) des Zellenfeldes.

14. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen aktiven, zum Stromfluss beitragenden Bereich und einen Randbereich aufweist, über den bei Anlegen einer Spannung an das Halbleiterbauelement die Feldlinien definiert aus dem Halbleiterkörper (1) geführt werden, wobei die Dotierungskonzentration der zweiten Dotier stoffe (16) im Randbereich geringer ist als im aktiven Be reich.

15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der zweiten Dotierstoffe (16) in den Zellen im Randbereich des Zellenfeldes niedriger ist.

16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen des Zellenfeldes ein hexagonales Layout auf weisen.

17. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) kristallines Silizium enthält.

18. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als MOSFET - insbesondere als Leistungs-MOSFET - oder als IGBT ausgebildet ist.