• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem vergrabenen temporär n-dotierten Bereich (9), der nur beim Abschalten vom leitenden in den sperrenden Zustand des Halbleiterbauelementes wirksam ist und ein Abreißen des Teilstromes verhindert, um so die Weichheit des Abschaltens zu verbessern. Dieser temporär wirksame Bereich wird durch Implantation von K-Zentren (Z) geschaffen.
    公开号:DE102004004045A1
    申请号:DE200410004045
    申请日:2004-01-27
    公开日:2005-08-18
    发明作者:Josef Prof. Lutz；Hans-Joachim Dr. Schulze
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:H01L29-06
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einemHalbleiterkörperund wenigstens zwei Elektroden, zwischen denen sich im Halbleiterkörper mindestensein pn-Übergangund ein Spannung aufnehmendes Gebiet des einen Leitungstyps, inwelchem sich eine Raumladungszone ausbreitet, wenn an die Elektrodeneine den pn-Übergangin dessen Sperrrichtung beaufschlagende Spannung angelegt ist, befinden. Zwischendem Spannung aufnehmenden Gebiet und der Elektrode für diesesGebiet kann eine höherals dieses Gebiet dotierte Zone des einen Leitungstyps vorgesehensein. Außerdembezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellungeines solchen Halbleiterbauelements.
    [0002] BeimAbschalten eines Halbleiterbauelementes von dessen leitenden indessen sperrenden Zustand bildet sich bekanntlich zunächst ausgehendvon dem in Sperrrichtung gepolten pn-Übergang eine Raumladungszoneaus, in welcher die am Halbleiterbauelement anliegende Spannungaufgenommen wird. Handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement beispielsweiseum eine Diode, so breitet sich die Raumladungszone ausgehend vompn-Übergangder Diode in Richtung auf die Kathode aus. Im "hinteren Teil" der Diode, also im Bereich vor derKathode steht dann zunächstnoch ein Teil der ursprünglichgespeicherten Ladung an, die aber mit der zunehmenden Ausbreitungder Raumladungszone in der Folgezeit abgebaut wird. Während dieserFolgezeit, währendder sich die Raumladungszone weiter ausbreitet, fließt ein sogenannter "Tailstrom", der erst dann abreißt, wenndie Raumladungszone an der der Kathode vorgelagerten hochdotiertenZone, also an einem nn+-Übergang ankommt. Stößt nun dieRaumladungszone an diesem nn+-Übergangan, so führtdies zu einem Abriss des Tailstroms. Dieser plötzliche Stromabriss hat Spannungsüberhöhungen aufgrundder im Stromkreis vorhandenen Induktivität und Oszillationen zur Folge.
    [0003] EinBeispiel hierfürist in 6 füreine 3,3 kV-Diode gezeigt. Zu einem Zeitpunkt von ungefähr t = 3E-6 snach dem Abschalten der Diode reißt der Tailstrom iT ab,was Oszillationen des insgesamt noch zwischen Anode und KathodefließendenStromes i (A) zur Folge hat. Dieser Abriss des Tailstroms erzeugtwegen der hohen di/dt-Steilheit auch Spannungsspitzen, welche äußerst unerwünscht sind,da sie zu der Zerstörungdes Bauelements führenkönnen.Es gilt daher, Stromabrisse infolge des Anstoßens der Raumladungszone an nn+-Übergängen beimAbschalten eines Halbleiterbauelementes möglichst zu vermeiden.
    [0004] Derobige Sachverhalt und im Hinblick auf diesen Sachverhalt bisherunternommene Maßnahmensollen im Folgenden anhand der 7A und 7B erläutert werden, in denen derDotierungsverlauf fürAkzeptoren NA bzw. für Donatoren ND inVolllinien und der aus diesem Dotierungsverlauf resultierende Verlaufdes elektrischen Feldes E in Strichlinien in Abhängigkeit von der Tiefe w desHalbleiterbauelements aufgetragen sind. Für das elektrische Feld E wirddabei zwischen einem statischen Feld E(stat) und einem insbesonderebeim Abschalten der Polaritätauftretenden dynamischen Fall E(dyn) unterschieden. Die Weite bzw.Tiefe der schwach dotierten Basiszone, die im Wesentlichen die Spannungaufnimmt, ist mit wB angegeben. Die höchste Feldstärke, dieim statischen Fall erreicht wird, beträgt Ec.
    [0005] Ausder 7A sind die p-Dotierungder Anodenzone, die n–-Dotierung des die Spannung aufnehmendenGebietes und die n+-Dotierung der hochleitenden Zone vorder Kathode zu ersehen. Die Kurve E(dyn) gibt nun die Situationan, in welcher beim Abschalten des Bauelementes die Raumladungszonean der hochdotierten n+-Zone anstößt. Beidiesem Anstoßentritt der in 6 gezeigteAbriss des Rückstromesauf. Die Kurve E(stat) fürden statischen Fall liegt erheblich höher, da hier die anhand der 6 erläuterten Erscheinungen nichtauftreten.
    [0006] Diejeweils im statischen Fall und dynamischen Fall aufnehmbaren Spannungenentsprechen den Flächenunterhalb den Kurven E(stat) bzw. E(dyn), also der über derWeite w integrierten FeldstärkeE(w).
    [0007] Zusammenfassendergibt sich also, dass ein Bauelement mit dem in 7A gezeigten Dotierungsverlauf eine relativhohe statische Sperrfähigkeitund eine relativ niedrige dynamische Sperrfähigkeit hat, wobei die dynamischeSperrfähigkeitdie Spannung ist, bei der ein Rückstromabrissauftritt.
    [0008] EineMöglichkeitzur Steigerung der dynamischen Sperrfähigkeit könnte nun darin bestehen, dieWeite des die Spannung aufnehmenden Gebietes, also die Weite wB des n–-dotierten Gebietes,so groß zugestalten, dass das elektrische Feld bei der obersten Spannung,gegen die das Bauelement kommutiert wird, den nn+-Übergang,also die Weite wB, nicht erreicht. Bei hochsperrendenBauelementen füreinen Einsatzbereich über2 kV muss aber die Dotierung derart niedrig gewählt werden, dass eine ausreichendeStabilitätgegen Höhenstrahlungerreicht wird. Eine so niedrige Dotierung lässt aber den Gradienten deselektrischen Feldes klein werden und führt zu einer großen Ausdehnungder Raumladungszone. Außerdemführt einegroßeWeite des die Spannung aufnehmenden Gebietes, auch Mittelzone genannt,zu hohen Durchlass- und/oder Schaltverlusten. Diese Durchlass- und/oderSchaltverluste nehmen dabei etwa proportional zur Größe von wB zu. Es ist also nicht möglich, für die Weite wB dieunter Gesichtspunkten der Sperrfähigkeitgeeignetsten Werte zu wählen.
    [0009] Bekanntlichgibt es IGBTs oder Thyristoren, die vor einer p-leitenden Kollektorzone bzw. anodenseitigenEmitterzone eine höhern-dotierte Schicht als einen so genannten Feldstoppbereich bzw. "Buffer" haben. Ein solcherFeldstoppbereich kann mit Protonenbestrahlung von der Kollektor-bzw. Anodenseite und anschließenderAusheilung erzeugt werden (vgl. hierzu "13 kV Rectifiers: Studies on Diodesand Asymmetric Thyristors",Proceedings ISPSD 2003, S. 122-125).
    [0010] Diebei einem Bauelement mit einer solchen Feldstoppzone vorliegendeSituation ist fürden Fall einer Diode in 7B veranschaulicht.Wie nun dieser 7B zuentnehmen ist, führtdie Feldstoppzone aufgrund ihrer erhöhten Dotierung zu einem höheren Gradientender elektrischen FeldstärkeE. Damit wird die Fläche unterhalbder Kurve E(dyn) erheblich größer alsbei einem Bauelement ohne Feldstoppzone. Das heißt, die Raumladungszone stößt erstbei einer höherenSpannung oder – für den Fall,dass die Feldstoppzone ausreichend hoch dotiert ist- gar nicht amnn+-Übergangan. Im dynamischen Fall kann also das so gestaltete HalbleiterbauelementhöhereSpannungen sperren.
    [0011] EinNachteil einer Feldstoppzone, deren Tiefe in 7B mit wBuf angegebenist, liegt darin, dass die Flächeunterhalb der Kurve E(stat) deutlich kleiner ist als im Fall einesHalbleiterbauelementes ohne Feldstoppzone entsprechend 7A, denn die Zone hinterder Feldstoppzone bzw. zwischen diesem und der hochdotierten n+-Zone, kann kaum bzw. gar nicht zur Aufnahmedes elektrischen Feldes beitragen.
    [0012] Wünschenswertwäre ansich ein Halbleiterbauelement, bei welchem im dynamischen Fall eineKurve E(dyn) entsprechend 7B gilt,währendim statischen Fall der Verlauf der Kurve von E(stat) von 7A erhalten bleibt. DieseBedingung wird von den vorhandenen Halbleiterbauelementen offenbarnicht erfüllt.
    [0013] Beider Bestrahlung von einem Siliziumkörper mit hochenergetischenElektronen oder mit H+- oder He++-Atomkernen(Ionen) entstehen im Silizium eine Reihe von verschiedenen ZentrenZ im Bereich zwischen dem Valenzband V und dem Leitungsband L vonSilizium, wie dies in 8 schematischveranschaulicht ist. Einige dieser Zentren werden als Rekombinationszentrenbenutzt. Bei der Bestrahlung mit H+-Ionen,also bei Protonenbestrahlung, entsteht auch ein Zentrum, das alsfester Donator wirkt und beispielsweise zur Erzeugung einer Feldstoppzone,wie fürdie Feldstoppzone "Buffer" in 7B, verwendet werden kann.
    [0014] Abgesehenvon dem der Protonenbestrahlung zugeordneten festen Donator entstehenbei der Bestrahlung mit z. B. Protonen, He++-Kernen,Kohlenstoffatomen oder Elektronen und anschließender Ausheilung bei einerTemperatur über220°C spezielldie in 8 gezeigten ZentrenZ, nämlichDoppelleerstellen W bzw. E (230 K) bei –0,24 eV, –0,43 eV und +0,19 eV und einZentrum aus einer Assoziation eines Sauerstoffatoms mit einer Leerstelle,nämlichein Zentrum OV bzw. E (90 K) bei einem Energieniveau von –0,17 eV,wobei diese Zentren als Rekombinationszentren wirken.
    [0015] Beiallen Arten einer Bestrahlung mit einem anschließenden Ausheilprozess, alsobei Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen, mit H+-,He++-Kernen oder Kohlenstoffionen entstehtauch das so genannte K-Zentrum (COVV), das als eine Assoziationeines Kohlenstoffatoms, eines Sauerstoffatoms und zweier Leerstellenbeschrieben ist. Als Rekombinationszentrum ist dieses Zentrum nursehr schwach wirksam. Es liegt bei einem Energieniveau von +0,355eV und wird auch mit H (195 K) bezeichnet.
    [0016] DasK-Zentrum COVV wurde bisher vor allem wegen seiner störenden Eigenschaftenbekannt. So wird beispielsweise in der DE 197 09 652 A1 berichtet,dass nach einer Elektronenbestrahlung eine homogene Verteilung anK-Zentren entsteht. Diese K-Zentren wirken als temporärer Donator:unmittelbar nach Stromfluss sind sie positiv geladen. Dieser Ladungszustandhält temperaturabhängig einige100 ns bis einige μsan. Zu dieser Zeit, in welcher die K-Zentren wirksam sind, ist dieeffektive Grunddotierung des mit ihnen dotierten Halbleiterkörpers temporär angehoben.Infolge einer solchen erhöhtenGrunddotierung geht ein Halbleiterbauelement weit unterhalb seinerstatischen Sperrspannung in einen Lawinendurchbruch über. Durcheinen solchen wird eine hochfrequente Oszillation, die dynamischeIMPATT-Schwingung, ausgelöst.Diese IMPATT-Schwingung verschwindet nach einigen wenigen Mikrosekunden,wobei das Halbleiterbauelement aber in der Regel nicht zerstört wird.
    [0017] Aufgrundder starken elektromagnetischen Störabstrahlung muss eine IMPATT-Schwingungunbedingt vermieden werden. Aus diesem Grund wird bei der in der DE 197 09 652 A1 beschriebenenLeitungsdiode die zulässigeAnzahl an K-Zentren begrenzt. Damit kann eine Elektronenbestrahlungangewandt werden, ohne störendeOszillationen hervorzurufen.
    [0018] Inder Veröffentlichung "Analysis of DynamicImpatt Oscillations caused by Radiation Induced Deep Centers", Proceedings ISPSD2003, wird erläutert,wie die dotierende Wirkung von K-Zentrendurch die Erzeugung eines lokalen Profiles an Störstellen bei der Implantationvon He++-Kernen nachgewiesen werden kann. Dabeiwerden ebenfalls die störendenIMPATT-Oszillationenherangezogen. 9 zeigtein Profil der verschiedenen Zentren nach einer Helium-Implantationund einer Ausheilung im Bereich von 350°C. Deutlich ist aus der 9 zu ersehen, dass die COVV-Zentrendie OV-Zentren und die VV-Zentrenin der Konzentration K (cm–3) überragen.
    [0019] Inobiger Veröffentlichungerfolgt die Implantation der He++-Kerne von der Anodenseiteaus. Auf der Abszisse von 9 istdaher die Entfernung von der Anode aufgetragen. Auch in dieser Veröffentlichungwird aber auf den störendenEinfluss der K-Zentren verwiesen, die möglichst vermieden werden sollten.
    [0020] Durchden Stand der Technik erhältder Fachmann somit die klare Anweisung, dass in Halbleiterbauelementendas Auftreten von K-Zentren wegen ihres störenden Einflusses möglichstverhindert werden sollte.
    [0021] Esist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelementzu schaffen, das sich durch eine hohe statische Sperrspannung auszeichnet,jedoch einen Feldstoppbereich aufweist, der bei Aufnahme der Sperrspannungnach einer Kommutierung eine Ausbreitung der Raumladungszone kurzzeitigbremst, deren Anstoßen.an einem nn+- (bzw. pp+)-Übergangverzögert,währendder Tailphase die Injektion von Löchern in die Basiszone aufrechterhältund somit ein sanftes Abschalten ermöglicht, so dass störende Oszillationen beimAbschalten ohne gleichzeitige Herabsetzung der statischen Sperrfähigkeitvermieden werden.
    [0022] DieseAufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genanntenArt erfindungsgemäß dadurchgelöst,dass in dem Spannung aufnehmenden Gebiet vor einem Übergangzu der höherdotierten Zone ein temporärwirksamer Bereich des einen Leitungstyps vorgesehen ist, der zwischenseinem Leitungsband und seinem Valenzband Zentren aufweist, diebei einer Überschwemmungdes Spannung aufnehmenden Gebiets freie Ladungsträger einfangenkönnen,sich bei einer Ausbreitung der Raumladungszone aber wieder entladen,so dass der Bereich nur bei einem Abschaltvorgang nach der Überschwemmungmit freien Ladungsträgernzeitweise wirksam ist. Der temporär wirksame Bereich bildet vorzugsweiseeinen temporären Feldstoppbereichvor der höherdotierten Zone.
    [0023] Vorzugsweiseist der eine Leitungstyp der n-Leitungstyp, und als Zentren werdeninsbesondere K-Zentren eingesetzt.
    [0024] DertemporäreFeldstoppbereich ist also nur im Falle eines Schaltvorgangs wirksam,wenn das Halbleiterbauelement zuvor mit Ladungsträgern geflutetwar. Im stationärenFall ist dagegen der Feldstoppbereich wieder verschwunden.
    [0025] Umeinen derartigen Feldstoppbereich zu ermöglichen, nutzt die vorliegendeErfindung in vorteilhafter Weise die bisher als unerwünscht angesehenenK-Zentren aus. Diese haben nämlichden Charakter eines Donators, der während der Phase der Überschwemmungpositiv geladen ist. Bei Ausbildung einer Raumladungszone nach einerKommutierung entlädter sich übereinen gewissen Zeitraum wieder, so dass im statischen Fall einehohe Sperrfähigkeitgewährleistetbleibt.
    [0026] DieErfindung nutzt also einen Effekt, der in der Fachliteratur bisherals nachteilhaft beschrieben ist, für die Erzeugung einer positivenWirkung, nämlichfür dieBildung eines temporärenFeldstoppbereiches.
    [0027] Beidem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementwerden damit die bisher als störendbeschriebenen Eigenschaften der K-Zentren als Maßnahme zu deren Verbesserungeingesetzt: die K-Zentrenwerden nämlichderart angeordnet, dass sie als temporäre Feldstoppbereich ein Anstoßen deselektrischen Feldes an der hochdotierten Zone bei Kommutierung verzögern.
    [0028] Wiebereits oben erläutertwurde, ist ein wesentliches Hindernis für den Einsatz der K-Zentrenfür positiveEigenschaften von Halbleiterbauelementen deren Ladung und derenEntladung, welche mit einer stark temperaturabhängigen Zeitkonstanten erfolgt.
    [0029] DieTemperaturabhängigkeitder Besetzung der Zentren, nämlichdie Ermittlung des Anteils der Zentren, die positiv geladen sind,errechnet sich nach der folgenden Gleichung:
    [0030] Beidem im Durchlasszustand vorliegenden Fall einer hohen Injektionkann n = p angenommen werden, wobei jeweils gilt n= p = 1 E 16 cm–3.
    [0031] Aufgrundder Temperaturabhängigkeitder Besetzung errechnet sich sodann mit Hilfe von Gleichung (1)für T = 300°K:NTD+ ≈ 0,92NTD T = 400°K: NTD+ ≈ 0,83 NTD
    [0032] Diesbedeutet, dass auch im Bereich von höheren Betriebstemperaturenausreichend K-Zentren positiv geladen sind. Nach Ende der Bedingungeiner hohen Injektion, also nach Beendigung der Ladungsträgerüberschwemmung,entladen sich die Zentren, wobei sich die Zeitkonstante τep nachder folgenden Gleichung bestimmt:
    [0033] Dabeibedeuten Ah den mit Hilfe von DLTS-Messungen(DLTS = Deep Level Transienten Kapazitäts-Spektroskopie) bestimmtenArheniusfaktor, Er das Energieniveau des K-Zentrums, Ev dasEnergieniveau des oberen Randes des Valenzbandes, k die Boltzmann-Konstanteund T die absolute Temperatur.
    [0034] Ausder Gleichung (2) ergibt sich damit: τep (300°K) ≈ 6 μs τep (400°K) ≈ 0,1 μs
    [0035] DieZeitkonstante τep ist bei 400°K wesentlich kleiner als bei300°K undsehr schnell. Es ist nun aber ohne weiteres möglich, die Feldstoppschichtaus K-Zentren so anzuordnen, dass in ihr noch lange während einesAbschaltvorganges die Bedingung einer hohen Injektion vorliegt.Dazu wird sie in der noch von Ladungsträgern gefluteten Zone in demBereich des Spannung aufnehmenden und niedrig dotierten Gebietsvorgesehen, der dicht an der hochdotierten Zone liegt. Dort istnämlichdie Konzentration an freien Ladungsträgern n bzw. p nach einem Abschaltvorgangimmer noch im Bereich von 1 E 16 cm–3.Damit ist dort auch noch während derPhase der Spannungsaufnahme, in welcher sich die Raumladungszoneausbreitet, die Bedingung einer hohen Injektion gegeben.
    [0036] Vorzugsweisewird so der temporäreFeldstoppbereich in einer Tiefe von 0,75 wB bis0,95 wB von pn-Übergang angeordnet, wobei wB den Abstand zwischen dem pn-Übergangund der höherdotierten Zone des einen Leitungstyps bedeutet.
    [0037] DieHöhe derDotierungskonzentration im Feldstoppbereich beträgt wenigstens 1 E 14 cm–3 und höchstens5 E 15 cm–3.Die obere Grenze dieser Dotierung des Feldstoppbereiches ist dadurchgegeben, dass auch bei etwa –40°C keine dynamischeIMPATT-Schwingung einsetzen darf.
    [0038] Wesentlichan der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung tiefer vergrabener,vorzugsweise n-dotierter Bereiche oder Schichten, die nur temporär wirksamsind, mit Hilfe der Erzeugung von Störstellen, die geeignete Energieniveausin der Bandlückezwischen dem Valenzband und dem Leitungsband aufweisen. Solche Bereicheoder Schichten mit temporärwirksamen Störstellenliegen insbesondere im Fall einer Diode kurz vor vorzugsweise einemnn+-Übergangund weisen dort tiefe Störstellenmit einer Dotierung von 1 E 14 cm–3 bis5 E 15 cm–3,vorzugsweise 2 E 15 cm–3 auf. Diese Störstellenhaben den Charakter von Donatoren, die während der Phase der Überschwemmungnach einem Abschaltvorgang positiv geladen sind und sich bei Ausbildungeiner Raumladungszone wieder entladen. Die sich entladenden Löcher derFeldstoppzone und auch die im Bereich zwischen der Feldstoppzoneund dem nn+-Überganggespeicherten Ladungsträgererhöhenwährenddes Entladevorgangs den durch das Bauelement fließenden Stromund machen somit das Abschalten weicher; d. h. ein Abreißen desStroms kann somit verhindert werden.
    [0039] Daserfindungsgemäße Halbleiterbauelementkann vorzugsweise eine Diode, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertemGate) oder ein Thyristor sein. Bei den beiden letztgenannten Bauelementenkann die temporäreFeldstoppzone einem p-Emitter vorgelagert sein, wobei eine zusätzliche,sich möglichstdicht am p-Emitter befindliche stationäre Feldstoppzone, die mittelsder üblichenDotierstoffe, wie z. B. Phosphor, erzeugt wird, zur weiteren Optimierungder elektrischen Eigenschaften dieser beiden Bauelemente beitragen kann.
    [0040] Daserfindungsgemäße Halbleiterbauelementkann auch ein Leistungs-MOS-Transistor sein. Dieser kann, was auchfür dieanderen Bauelemente gilt, in Kompensationstechnik ausgeführt sein,so dass beispielsweise ein CoolMOS-Bauelement vorliegt.
    [0041] Esist – wiebereits erwähnt – ohne weiteresmöglich,die temporäreFeldstoppzone mit anderen üblichenFeldstoppkonzepten zu kombinieren, was vorzugsweise bei einem IGBToder einem asymmetrischen Thyristor vorteilhaft ist. Wird eine Protonenbestrahlungzur Erzeugung der Zentren angewandt, so kann bei geeigneter Temperungund Dosis durch einen Bestrahlungsschritt eine Kombination einestemporärenFeldstoppbereiches, der durch K-Zentren induziert ist, und aus einemstationärenFeldstoppbereich, der durch die mit Wasserstoff erzeugten Zentreninduziert ist, realisiert werden.
    [0042] Anstelleder vorzugsweise verwendeten K-Zentren können auch andere Zentren, dievergleichbare Eigenschaften wie das K-Zentrum haben, angewandt werden. DieseZentren könnenz. B. durch eine Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen erzeugtwerden, wofürsich beispielsweise Heliumionen, Protonen, Kohlenstoffatome undElektronen besonders eignen. Zur Realisierung von relativ hohenKonzentrationen an K-Zentren bietet es sich an, für das Grundmaterialdes Halbleiterkörperseine nicht zu niedrige Kohlenstoffkonzentration vorzusehen, bzw.diese bei der Verwendung einer Kohlenstoffimplantation zur Erzeugungder K-Zentren direkt einzubringen.
    [0043] Handeltes sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementum eine Diode, so sollte die Bestrahlung zur Erzeugung der Zentrenvorzugsweise von der Kathodenseite, also durch einen n-leitendenEmitter hindurch, erfolgen. Entsprechend sollte bei einem IGBT dieBestrahlung von der Kollektorseite aus, also durch einen p-leitendenEmitter hindurch, vorgenommen werden. Dadurch kann die Bildung derZentren über dieTiefe des Spannung aufnehmenden Gebietes vermieden werden. Im durchstrahltenBereich werden Zentren lediglich in relativ geringer Konzentrationgebildet. Auch kann auf diese Weise insbesondere bei hochsperrendenBauelementen eine zu hohe Implantationsenergie umgangen werden.Sind die benötigteImplantationsdosis und Implantationsenergie aber nicht zu hoch,so kann die Bestrahlung auch von der anderen Seite des Bauelementes,also von der Anodenseite bei einer Diode und von der Emitterseitebei einem IGBT, durchgeführtwerden.
    [0044] Schließlich istes auch zweckmäßig, gegebenenfallseine Mehrfachimplantation mit verschiedenen Energien vorzunehmen,um so zwei oder mehrere temporäreFeldstoppbereiche zu bilden. Ebenso ist es möglich, einen verbreitertentemporärenFeldstoppbereich dadurch zu erzeugen, dass durch eine Metallfolie,die eine geeignete Dicke hat, der Halbleiterkörper mit einer höheren Energiebestrahlt wird, um somit bei gleicher Eindringtiefe in den Halbleiterkörper einenverbreiterten Feldstoppbereich zu realisieren.
    [0045] Vorzugsweiseweist bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementdas durch Bestrahlung erzeugte Zentrum den Charakter eines Donatorsauf und ist in einem n–-leitendem Gebiet gelegen.Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann sie auchauf ein Halbleiterbauelement angewandt werden, bei dem ein solchesZentrum einen Akzeptor bildet, der in einem p-leitenden Gebiet gelegenist.
    [0046] Nachfolgendwird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    [0047] 1A einSchnittbild einer Diode als einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes,
    [0048] 1B eineschematische Darstellung fürden Verlauf der Dotierungskonzentration und des elektrischen Feldesbei der Diode von 1A,
    [0049] 2 denVerlauf der Entladung einer Feldstoppzone bei einer Temperatur von400°K,
    [0050] 3 dieAbhängigkeitder Konzentration verschiedener Zentren von der Ausheiltemperatur,
    [0051] 4 dasgemessene Recovery-Verhalten einer Diode mit K-Zentren,
    [0052] 5 denVerlauf der Entladung eines K-Zentrums bei einer Temperatur von300°K,
    [0053] 6 denVerlauf des Tailstromes bei einer Diode nach dem Stand der Technik,
    [0054] 7A denVerlauf der Dotierungskonzentration und des elektrischen Feldesbei einer Diode ohne Feldstoppbereich,
    [0055] 7B denVerlauf der Dotierungskonzentration und des elektrischen Feldesbei einer Diode mit Feldstoppbereich,
    [0056] 8 einBanddiagramm mit verschiedenen Zentren für mit He++-Kernenund Elektronen bestrahltes Silizium und
    [0057] 9 denVerlauf des Konzentrationsprofils für verschiedene Zentren nacheiner Helium-Implantation und Ausheilung im Bereich von 350°C.
    [0058] Die 6 bis 9 sindbereits eingangs erläutertworden. In den Figuren werden füreinander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichenverwendet.
    [0059] 1A zeigteinen Siliziumkörper 1,der eine nicht zu niedrige Konzentration an Kohlenstoff aufweist undmit einer ersten Elektrode (Anode A) 2 und einer zweitenElektrode (Kathode K) 3 auf seinen beiden, einander gegenüberliegendenHauptoberflächenversehen ist. In diesem Siliziumkörper 1 sind eine p-leitende Zone(Anodenzone) 12, ein schwach n–leitendesGebiet 5, das mit der Zone 12 einen pn-Übergang 4 bildet, einehochdotierte n+-leitende Zone 7,die mit dem Gebiet 5 einen nn+-Übergang 8 bildet,und – erfindungsgemäß – ein temporärer Feldstoppbereich 9 vorgesehen.Gegebenenfalls könnenauch mehrere solche Feldstoppbereiche 9, 9', ... angewandtwerden.
    [0060] Außerdem sindin 1A noch schematisch optional vorhandene, p-leitendeKompensationsgebiete 10 angedeutet, die in dem Gebiet 5 gelegensind und dort fürLadungskompensation sorgen.
    [0061] Abhängig vonder zwischen den Elektroden 2, 3 liegenden Sperrspannungbreitet sich eine Raumladungszone 6 aus, deren Grenze in 1A schematischangedeutet ist. Die Ausdehnung dieser Raumladungszone 6 hängt vonder zwischen den Elektroden 2 und 3 liegendenSpannung ab.
    [0062] 1B zeigt ähnlich wiedie 7A und 7B denVerlauf der Dotierungskonzentration und des elektrischen Feldesfür diein 1A schematisch veranschaulichte Diode (ohne Kompensationsgebieteund ohne zusätzlichenFeldstoppbereich 9').Zusätzlichist in 1B noch die Lage eines herkömmlichenstationärenFeldstoppbereiches 11 angedeutet (dieser ist in 1A nichtgezeigt).
    [0063] DertemporäreFeldstoppbereich 9 liegt vorzugsweise bei 0,75 wB bis 0,95wB, wie dies in den 1A und 1B angedeutetist. In diesem Bereich ist bei Abschaltung der Diode ein Ladungsträgerberg 13 vorhanden,so dass die fürdie Ausbildung des temporärenFeldstoppbereiches 9 notwendige Ladungsträgerüberschwemmunggewährleistetist. Das elektrische Feld E steigt linear von diesem Ladungsträgerberg 13 ausan, um am pn-Übergang 4 seinenHöchstwertzu erreichen.
    [0064] Nachdemdie Raumladungszone (vgl. Strichpunktlinie 6 in 1A)die Feldstoppzone 9 erreicht hat, also kurz nach dem inden 1A und 1B veranschaulichtenZustand, beginnt die Feldstoppzone, sich zu entladen. Dieser Vorgangist in 5 veranschaulicht, wobei hier die Zeit t = 0 derZeitpunkt ist, an welchem die Raumladungszone 6 beginnt,in den Feldstoppbereich 9 einzudringen. Die LadungsträgerkonzentrationND + ist in 5 für den Zeitpunktt = 0, t = 700 ns und t = 3 μsgezeigt. Aus der 5 folgt deutlich, dass nach Eindringender Raumladungszone 6 in den Feldstoppbereich 9 dessenLadung mit einer gewissen Zeitkonstanten abgebaut wird, so dassdieser Feldstoppbereich tatsächlicheine temporäreWirkung entfaltet.
    [0065] 2 zeigtden Verlauf der Entladung des Feldstoppbereichs 9 bei einerTemperatur von 400°K.Die Darstellung ist dabei in logarithmischem Maßstab gegeben. Es ist aus dieser 2 zuersehen, dass nach einer Zeit t = 300 ns die LadungsträgerkonzentrationNTD+, also die Konzentration an besetztenZentren, um mehr als eine Größenordnungabgenommen hat.
    [0066] Für die Anwendungder Erfindung bei einem Halbleiterbauelement ist dabei zu beachten,dass der Feldstoppbereich 9 nur für eine relativ kurze Zeit,nämlichfür denZeitraum des Abreißensdes Teilstroms (vgl. 6) benötigt wird. Die bei und nachder Entladung des Feldstoppbereichs 9 fließenden Ladungsträger vermeidenden Abriss des Tailstromes, indem sie den Strom durch die zwischendem Feldstoppbereich 9 und der n-dotierten Kathodenzonebei einer Diode bzw. dem p-dotierten Emitter bei einem IGBT gespeichertenLadungsträgerund auch durch die in der temporärenFeldstoppzone selbst entladenen Löcher erhöhen.
    [0067] DieAnwesenheit von Rekombinationszentren in dem Feldstoppbereich 9,insbesondere des OV-Zentrums, kann bei bestimmten Bauelementen vonVorteil sein. Dies ist insbesondere bei IGBTs mit einem Feldstoppbereichder Fall. Bei schnellen Dioden ist die Anordnung von solchen Rekombinationszentrenan dieser Stelle jedoch in der Regel nicht zweckmäßig. Allerdingsist es möglich,durch geeignetes Tempern die Zusammensetzung der Zentren zu verändern.
    [0068] Hierfür zeigt 3 einBeispiel. 3 ist nach Daten aus W. Wondrak,Dissertation, Frankfurt, 1985, zusammengestellt. Dabei werden dieSignale H(190K) und H(210K) unterschieden, es werden jedoch beide demK-Zentrum zugeordnet. 3 zeigt, dass das K-ZentrumCOVV gegenüberTempern sehr stabil ist, währenddas starke Rekombinationszentrum OV bei Temperaturen >400°C verschwindet. Somit findetsich >420°C ein Fenster,in dem das K-Zentrum vorherrscht und die Wirkung der strahlungsinduziertenZentren als Rekombinationszentren weitgehend erloschen ist. Für die Einstellungdes Schaltverhaltens einer Diode wird bevorzugt dieser Bereich gewählt.
    [0069] 4 veranschaulichtdes gemessene Recovery-Verhalten einer Diode mit K-Zentren im Feldstoppbereich 9,also im hinteren Teil des niedrig dotierten Gebietes 5.Hier sind diese K-Zentren durch He++-Implantationerzeugt. Nach ungefähr300 ns zeigt der Tailstrom IT (vgl. dieStelle "A*") einen zusätzlichenStromanstieg. In diesem Zeitpunkt erreicht das elektrische Felddie temporäreFeldstoppzone 9. Wird 4 mit 6 verglichen,kann man sich veranschaulichen, dass aus dem Feldstoppbereich 9 undder sich zwischen der höherdotierten Zone 7 und der Zone 9 befindlichen,bis zum Zeitpunkt der Entladung der Zone 9 mit freien Ladungsträgern überschwemmtenZone genau der Strom gewonnen werden kann, der im herkömmlichen Halbleiterbauelementgemäß 6 amEnde des Tailstromes IT fehlt.
    [0070] Daserfindungsgemäße Halbleiterbauelementwird anhand einer Vertikalstruktur erläutert. Es kann aber ohne weiteresauch eine Lateralstruktur haben.
    1 Halbleiterkörper 2 ersteElektrode 3 zweiteElektrode 4 pn-Übergang 5 schwachdotiertes Gebiet 6 Raumladungszone 7 starkdotierte Zone 8 nn+-Übergang 9,9' temporär wirksamesGebiet 10 Kompensationsgebiet 11 stationär wirksamesGebiet 12 Anodenzone13 Ladungsträgerberg A Anode K Kathode iT Tailstrom E(stat) statischeselektrisches Feld E(dyn) dynamischeselektrisches Feld NA Akzeptorenkonzentration ND Donatorenkonzentration w Weitedes schwach dotierten Gebietes
    权利要求:
    Claims (31)
    [1] Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1)und wenigstens zwei Elektroden (2, 3), zwischen denensich im Halbleiterkörper(1) mindestens ein pn-Übergang(4) und ein Spannung aufnehmendes Gebiet (5) deseinen Leitungstyps, in welchem sich eine Raumladungszone (6)ausbreitet, wenn an die Elektroden (2, 3) eineden pn-Übergang(4) in dessen Sperrrichtung beaufschlagende Spannung angelegtist, befinden, dadurch gekennzeichnet , dass in dem Spannungaufnehmenden Gebiet (5) ein temporär wirksamer Bereich (9)des einen Leitungstyps vorgesehen ist, der zwischen seinem Leitungsband(L) und seinem Valenzband (V) Zentren (Z) aufweist, die bei einer Überschwemmungdes Spannung aufnehmenden Gebiets (5) freie Ladungsträger einfangenkönnen,sich bei einer Ausbreitung der Raumladungszone (6) aberwieder entladen, so dass der Bereich (9) nur bei einemAbschaltvorgang nach der Überschwemmungmit freien Ladungsträgern zeitweisewirksam ist.
    [2] Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass zwischen dem Spannung aufnehmenden Gebiet (5) undder Elektrode (3) fürdieses Gebiet (5) eine höher als dieses Gebiet (5)dotierte Zone (7) vorgesehen ist, und dass der temporär wirksameBereich (9) vor einem Übergang(8) zu der höher dotiertenZone (7) angeordnet ist.
    [3] Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die höherdotierte Zone (7) den einen Leitungstyp aufweist.
    [4] Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass die höherdotierte Zone (7) den anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetztenLeitungstyp aufweist.
    [5] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Leitungstyp der n-Leitungstypist.
    [6] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentren (Z) K-Zentren sind.
    [7] Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,dass die K-Zentren aus der Assoziation eines Kohlenstoffatoms einesSauerstoffatoms und zweier Leerstellen (COVV) bestehen.
    [8] Halbleiterbauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurchgekennzeichnet, dass die K-Zentren (Z) durch Bestrahlung mit hochenergetischenTeilchen erzeugt sind.
    [9] Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die K-Zentren (Z) zusätzlich durcheine an die Bestrahlung anschließende Ausheilung bei einerTemperatur über300°C erzeugtwerden.
    [10] Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurchgekennzeichnet, dass die hochenergetischen Teilchen Protonen oderHelium-Kerne sind.
    [11] Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurchgekennzeichnet, dass die hochenergetischen Teilchen Kohlenstoffatomesind, die K-Zentren bilden und zum Material des Halbleiterkörpers (1)beitragen.
    [12] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis11, dadurch gekennzeichnet, dass der temporär wirksame Bereich (9)ein Feldstoppbereich ist.
    [13] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis12, dadurch gekennzeichnet, dass der temporär wirksame Bereich (9)in einer Tiefe von 0,75 wB bis 0,95 wB vom pn-Übergang(4) angeordnet ist, wobei wB den Abstandzwischen dem pn-Übergang(4) und dem gegenüberliegendenRand (8) des Spannung aufnehmenden Gebietes (5)bedeutet.
    [14] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis13, dadurch gekennzeichnet, dass der temporär wirksame Bereich (9)eine Dotierungskonzentration zwischen 1 E 14 cm–3 und5 E 15 cm–3 aufweist.
    [15] Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Dotierungskonzentration zwischen 1 E 14 cm–3 und2 E 15 cm–3 liegt.
    [16] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1, 2und 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es als Diode, IGBT, Thyristoroder MOSFET ausgeführtist.
    [17] Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dassim Halbleiterkörper(1) in dem Spannung aufnehmenden Gebiet (5) zusätzlich Kompensationsgebiete(10) des anderen Leitungstyps vorgesehen sind.
    [18] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein stationärer Feldstoppbereich(11) vorgesehen ist.
    [19] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis18, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem temporär wirksamenBereich (9) wenigstens ein weiterer temporär wirksamerBereich (9')vorgesehen ist.
    [20] Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,dass die temporärwirksamen Bereiche (9, 9') durch Mehrfachimplantationenerzeugt sind.
    [21] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis20, dadurch gekennzeichnet, dass es vertikal strukturiert ist.
    [22] Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis20, dadurch gekennzeichnet, dass es lateral strukturiert ist.
    [23] Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauelementesnach einem der Ansprüche1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass K-Zentren durch Implantationvon hochenergetischen Teilchen in ein schwach dotiertes Gebiet (5)eines Halbleiterkörpers(1) eingebracht werden.
    [24] Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,dass die K-Zentren (Z) zusätzlichdurch an die Bestrahlung anschließende Ausheilung bei einerTemperatur über300°C erzeugtwerden.
    [25] Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet,dass als hochenergetische Teilchen Protonen oder Helium-Kerne vorgesehenwerden.
    [26] Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet,dass als hochenergetische Teilchen Kohlenstoffatome vorgesehen werden,die K-Zentren bilden und zum Material des Halbleiterkörpers (1)beitragen.
    [27] Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,dass die Ausheilung bei einer Temperatur über 420°C vorgenommen wird.
    [28] Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet,dass zur Erzeugung des temporärwirksamen Bereiches (9) eine Mehrfachimplantation durchgeführt wird.
    [29] Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dassdie Implantation durch eine Metallfolie durchgeführt wird.
    [30] Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet,dass zusätzlicheine Implantation mit Protonen zur Erzeugung eines stationären Feldstoppbereiches(11) durchgeführtwird.
    [31] Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet,dass die Implantation von der Rückseitedes Halbleiterkörpersaus, d. h. von der dem pn-Übergang4 gegenüberliegendenSeite, vorgenommen wird.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    US10847608B2|2020-11-24|Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device
    US10355079B2|2019-07-16|Semiconductor device and method for producing semiconductor device
    US10049880B2|2018-08-14|Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
    US10128360B2|2018-11-13|Semiconductor device and method for producing the same
    JP5704652B2|2015-04-22|超高速リカバリダイオード
    US8178411B2|2012-05-15|Method for producing a stop zone in a semiconductor body and semiconductor component having a stop zone
    US9263529B2|2016-02-16|Semiconductor device with vertically inhomogeneous heavy metal doping profile
    JP5874723B2|2016-03-02|半導体装置および半導体装置の製造方法
    US10176986B2|2019-01-08|Semiconductor device and method for manufacturing the same
    US7842590B2|2010-11-30|Method for manufacturing a semiconductor substrate including laser annealing
    US7968953B2|2011-06-28|Semiconductor device including schottky barrier diode and method of manufacturing the same
    US7518197B2|2009-04-14|Power semiconductor device
    US7696600B2|2010-04-13|IGBT device and related device having robustness under extreme conditions
    US7964930B2|2011-06-21|Semiconductor device and method for manufacturing same
    US7470952B2|2008-12-30|Power IGBT with increased robustness
    US7538412B2|2009-05-26|Semiconductor device with a field stop zone
    US9214521B2|2015-12-15|Reverse conducting IGBT
    DE102004047749B4|2008-12-04|Halbleiterbauteil Diode und IGBT sowie dafür geeignetes Herstellungsverfahren
    JP6015745B2|2016-10-26|Manufacturing method of semiconductor device
    EP1540735B1|2017-11-01|Verfahren zur herstellung einer vergrabenen stoppzone in einem halbleiterbauelement und halbleiterbauelement mit einer vergrabenen stoppzone
    US7635878B2|2009-12-22|Semiconductor device having insulated gate bipolar transistor
    JP2590284B2|1997-03-12|半導体装置及びその製造方法
    EP1611613B2|2019-01-16|Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements
    DE10330571B4|2006-08-17|Vertikales Leistungshalbleiterbauelemente mit Injektionsdämpfungsmittel im Randbereich und Herstellungsverfahren dafür
    JP2013197306A|2013-09-30|半導体装置の製造方法
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US20070278514A1|2007-12-06|
    WO2005071757A3|2005-11-24|
    DE102004004045B4|2009-04-02|
    WO2005071757A2|2005-08-04|
    US7696605B2|2010-04-13|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-08-18| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2009-09-24| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410004045|DE102004004045B4|2004-01-27|2004-01-27|Halbleiterbauelement mit temporärem Feldstoppbereich und Verfahren zu dessen Herstellung|DE200410004045| DE102004004045B4|2004-01-27|2004-01-27|Halbleiterbauelement mit temporärem Feldstoppbereich und Verfahren zu dessen Herstellung|
    PCT/DE2005/000093| WO2005071757A2|2004-01-27|2005-01-24|Halbleiterbauelement mit temporärem feldstoppbereich und verfahren zu dessen herstellung|
    US10/587,413| US7696605B2|2004-01-27|2005-01-24|Semiconductor component comprising a temporary field stopping area, and method for the production thereof|
    [返回顶部]