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DE19830332C2 - Vertikales Halbleiterbauelement mit reduziertem elektrischem Oberflächenfeld - Google Patents

Vertikales Halbleiterbauelement mit reduziertem elektrischem Oberflächenfeld

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Description

Die Erfindung betrifft ein vertikales Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, in dessen Oberflächenbereich wenigstens eine Zone des zum einen Lei­ tungstyp entgegengesetzten, anderen Leitungstyps eingebettet ist, und mit Gebieten des anderen Leitungstyps, die im Halb­ leiterkörper in einer im wesentlichen parallel zu der Ober­ fläche des Oberflächenbereiches verlaufenden Ebene vorgesehen sind, wobei die Gebiete so hoch dotiert sind, daß sie bei an­ liegender Spannung in Sperrichtung und in Durchlaßrichtung des von dem Halbleiterkörper mit der Zone des anderen Lei­ tungstyps gebildeten pn-Überganges an Ladungsträgern nicht ausräumbar sind. Unabhängig vom Stand der Technik können die Gebiete dabei floatend sein oder teilweise bzw. alle auf fe­ stem Potential liegen. Bei derartigen Halbleiterbauelementen kann es sich insbesondere um n- oder p-Kanal-MOSFETs (MOS- Feldeffekttransistoren), IGBTs (Bipolartransistoren mit iso­ lierten Gate), JFETs (Junction- bzw. Übergangs- Feldeffekttransistoren), GTOs oder Dioden handeln.
Eine Universal-Halbleiterscheibe für ein vertikales Halblei­ terbauelement der eingangs genannten Art ist in dem älteren Patent gemäß DE 198 16 448 C1 beschrieben.
Eine Schottky-Diode, in deren Halbleiterkörper des einen Lei­ tungstyps zur Erhöhung der Sperrspannung floatende Gebiete des anderen Leitungstyps eingebettet sind, ist aus US 4,134,123 bekannt. Außerdem sind aus IEEE Electronic Device Letters, Bd. 18, Nr. 12, Dezember 1997, Seiten 589 bis 591, MOSFETs aus SiC mit hoher Durchbruchfeldstärke und niedrigem Einschaltwiderstand bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vertikales Halbleiterbauelement zu schaffen, das sich durch eine deutli­ che Reduktion des elektrischen Oberflächenfeldes bei gleich­ zeitiger Verbesserung der lateralen Stromverteilung und der Widerstands- bzw. Durchlaßcharakteristik auszeichnet.
Diese Aufgabe wird bei einem vertikalen Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der vertikale Abstand zwischen der Zone des anderen Lei­ tungstyps und den Gebieten derart gewählt ist, daß das verti­ kale Linienintegral zwischen dem von der Oberfläche der Zone des anderen Leitungstyps abgewandten unteren Rand dieser Zone und dem dieser Zone zugewandten oberen Rand der Gebiete über der Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers unterhalb der vom Material des Halbleiterkörpers abhängigen spezifi­ schen Durchbruchsladung (Ladungsträger.cm-2) bleibt. Bei ei­ nem aus Si bestehenden Halbleiterkörper bleibt das Linienin­ tegral also unterhalb 2.1012 Ladungsträgern cm-2. Andere mög­ liche Halbleitermaterialien sind z. B. Ge, GaAs und - wie be­ reits erwähnt wurde - vor allem SiC.
Das Linienintegral wird dabei senkrecht zu dem pn-Übergang zwischen der Zone des anderen Leitungstyps und dem Halblei­ terkörper über die Dotierung in diesem gebildet. Die Durch­ bruchsladung ist über die 3. Maxwellsche Gleichung
mit der Durchbruchsfeldstärke verknüpft (E = elektrische Feldstärke; ρ = spezifische Ladung).
Durch den Einbau der nicht ausräumbaren, vorzugsweise floa­ tenden Gebiete mit Dotierstoffen mit einem zum Halbleiterkör­ per entgegengesetztem Leitungstyp, also beispielsweise durch den Einbau von p-leitenden Gebieten in einen n-leitenden Halbleiterkörper, läßt sich eine wirksame Reduktion des elek­ trischen Oberflächenfeldes erzielen. Dies ist besonders bei einem aus SiC bestehenden Halbleiterkörper von Vorteil, da bei diesem Halbleitermaterial infolge dessen sehr hoher Volu­ mendurchbruchsfeldstärke (ca. 2 MV/cm im Vergleich zu ca. 250 kV/cm bei Si) eine Reduktion des Oberflächenfeldes im Bereich thermischer Oxide (Siliziumdioxid etwa 8 MV/cm) notwendig ist, um auch bei geringen Oxiddicken die maximale Blockierfä­ higkeit von hieraus hergestellten Halbleiterbauelementen, beispielsweise Transistoren, ausnutzen zu können.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die vorzugsweise floatenden Gebiete punkt-, streifen- oder gitterförmig ausgebildet sind. Dadurch wird der Majoritätsla­ dungsträgerstrom beispielsweise in der Driftstrecke eines vertikalen Leistungs-MOSFETs möglichst wenig beeinflußt. Bei einem solchen Transistor können diese Gebiete gegebenenfalls auch an einigen Stellen mit der auf Source-Potential liegen­ den Wanne des Transistors verbunden werden. Dadurch läßt sich eine deutliche Reduktion des elektrischen Oberflächenfeldes in den zwischen den jeweiligen Wannen liegenden Bereichen er­ reichen.
Die Erfindung ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Dotie­ rungskonzentration "oberhalb" der bevorzugten floatenden Ge­ biete, also zwischen diesen und der Oberfläche des Halblei­ terkörpers. Diese Erhöhung der Dotierung bedingt eine homoge­ ne Stromverteilung und eine Reduktion des Einschaltwiderstan­ des. Bei einem aus SiC bestehenden Halbleiterkörper kann ohne weiteres thermisches SiO2 als Gateisolation infolge des ver­ ringerten Oberflächenfeldes eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist beispielsweise durch Implantation der vorzugsweise floatenden Gebiete und anschließende Abscheidung einer epitaktischen Deckschicht oder durch Ätzen eines Trenchs (Grabens), Implantation und Auffüllung mit monokristallinem Halbleitermaterial herstell­ bar. Bei dem zuerst genannten Verfahren besteht die Möglich­ keit, die Dotierung in der Deckschicht oberhalb der vorzugs­ weise floatenden Gebiete frei einzustellen, während bei dem zweitgenannten Verfahren die Dotierung bereits während des Herstellungsprozesses für den Halbleiterkörper festzulegen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines robusten n-Ka­ nal-MOSFET als einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, und
Fig. 2 und 3 Draufsichten auf zwei verschiedene Zellenfel­ der.
Fig. 1 zeigt einen n-Kanal-MOSFET, wobei zur Vereinfachung und besseren Übersichtlichkeit nur einzelne Bereiche schraf­ fiert sind. Der n-Kanal-MOSFET besteht aus einem Silizium- Halbleiterkörper mit einem n+-leitenden Halbleitersubstrat 2 und einer darauf n-leitenden Halbleiterschicht 1, einer Me­ tallisierung 3 aus beispielsweise Aluminium und mit einer Drainelektrode D, einer p-leitenden Wanne 4, einer n-leiten­ den Sourcezone 5, einer Source-Metallisierung 6 aus bei­ spielsweise Aluminium, einer Isolierschicht 7 aus beispiels­ weise Siliziumdioxid und einer Gateelektrode 10 aus bei­ spielsweise dotiertem polykristallinem Silizium.
Erfindungsgemäß sind p-leitende Gebiete 8 in einem solchen vertikalen Abstand von der Sourcezone 5 vorgesehen, daß das vertikale Linienintegral über die Dotierung der Halbleiter­ schicht 1 unterhalb von etwa 2.1012. Ladungsträger cm-2 bleibt. In einem p-leitenden Halbleiterkörper sind in ent­ sprechender Weise n-leitende Gebiete eingebettet. Die Gebiete 8 sind punkt-, streifen- oder gitterförmig und weisen Abmes­ sungen auf, die etwa 1-3 µm betragen. An einigen Stellen können die Gebiete 8 auch mit der Wanne 4 verbunden sein. Die Gebiete 8 können aber auch alle floatend sein. Die Dotie­ rungskonzentration in den Gebieten 8 beträgt etwa 1017 La­ dungsträger cm-3 und ist so hoch, daß diese Gebiete bei an­ liegender Spannung in Sperrichtung und in Durchlaßrichtung des zwischen der Wanne 4 und der Halbleiterschicht 1 gebilde­ ten pn-Übergang an Ladungsträgern nicht ausgeräumt werden.
Die Gebiete 8 sorgen für eine homogene Verteilung des Stro­ mes, wie dies durch Pfeile 9 angedeutet ist, und bewirken ei­ ne Reduktion des Einschaltwiderstandes.
Die durch die Gebiete 8 erzielte Reduktion des Oberflächen­ feldes erlaubt eine deutliche Erhöhung der Dotierung in der Halbleiterschicht 2 oberhalb dieser Gebiete 8, was besonders bei SiC von Vorteil ist. Jedoch ist die Erfindung auch auf andere Halbleitermaterialien anwendbar, wie dies oben erläu­ tert wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um n- oder p-Kanal-MOS-Leistungstransistoren, IGBTs, JFETs, GTOs oder Dioden handeln.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Draufsichten auf Zellenstrukturen mit einer gitterartigen (Fig. 2) bzw. streifenartigen (Fig. 3) Gestaltung der Gebiete 8.

Claims (5)

1. Vertikales Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1, 2) des ei­ nen Leitungstyps, in dessen Oberflächenbereich wenigstens eine Zone (4) des zum einen Leitungstyp entgegengesetzten anderen Leitungstyps eingebettet ist, und mit Gebieten (8) des anderen Leitungstyps, die im Halbleiterkörper (1, 2) in einer im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Oberflächenbereiches ver­ laufenden Ebene vorgesehen sind, wobei die Gebiete (8) so hoch dotiert sind, dass sie bei anliegender Spannung in Sperrrichtung und in Durchlassrichtung des von dem Halbleiterkörper (1, 2) mit der Zone (4) des anderen Leitungstyps gebildeten pn-Übergangs an Ladungsträgern nicht ausräumbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand zwischen der Zone (4) des anderen Leitungstyps und den Gebieten (8) derart gewählt ist, dass das vertikale Linienintegral zwischen dem von der Oberfläche der Zone (4) des anderen Leitungstyps abgewandten unteren Rand dieser Zone (4) und dem dieser Zone (4) zugewandten oberen Rand der Ge­ biete (8) über der Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers (1, 2) unter­ halb der vom Material des Halbleiterkörpers (1, 2) abhängigen spezifischen Durchbruchsladung (Ladungsträger × cm-2) bleibt.
2. Vertikales Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) aus SiC, Si, Ge oder GaAs besteht.
3. Vertikales Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus Si bestehenden Halbleiterkörper (1, 2) das Linienintegral unter­ halb von 2.1012 Ladungsträgern × cm-2 bleibt.
4. Vertikales Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (8) punkt-, streifen- oder gitterförmig ausgebildet sind.
5. Vertikales Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (8) floatend sind.
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