DE10040452B4 - Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement Download PDF

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Abstract

Durch Feldeffekt steuerbares, vertikales Halbleiterbauelement bestehend aus einem Halbleiterkörper (1)
mit mindestens einer Sourcezone (2) vom ersten Leitungstyp, die an die Scheibenrückseite (3) angrenzt und dort mit einer Sourceelektrode (4) verbunden ist,
mit mindestens einer Bodyzone (5) vom zweiten Leitungstyp, die an der der Scheibenrückseite (6) entgegengesetzten Seite an die Sourcezone (2) angrenzt,
mit mindestens einer Drainzone (6) vom ersten Leitungstyp, die an die Bodyzone und an die Scheibenvorderseite (7) angrenzt und die an der Scheibenvorderseite (7) mit einer Drainelektrode (9) verbunden ist,
mit mindestens einer Gateelektrode (12), die jeweils in einem Graben (10) angeordnet ist und gegenüber dem Halbleiterkörper (1) über ein Dielektrikum (11) isoliert ist, wobei die Gateelektroden (12) von den Drainzonen (6, 8) über die Bodyzonen (5) bis in die Sourcezone (2) hineinragen,
dadurch gekennzeichnet,
dass Hilfselektrodenbereiche (15) vorgesehen sind, die in den Drainzonen (6) angeordnet sind und die im Sperrfall...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein durch Feldeffekt steuerbares, vertikales Halbleiterbauelement der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Art.
  • Ein derartiges, durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, bei dem sich die Sourceelektrode an der Scheibenrückseite und die Drain- und Gateelektroden an der Scheibenvorderseite befindet, ist auch als sogenannter Source-Down-Transistor oder Source-Down-MOSFET bekannt und beispielsweise in der DE 196 38 439 C2 beschrieben.
  • 1 der Zeichnung zeigt einen in der DE 196 38 439 C2 beschriebenen Source-Down-MOSFET. Der Halbleiterkörper 1 bildet bei dem dort dargestellten Halbleiterbauelement gleichzeitig die an die Scheibenrückseite 3 angrenzende Sourcezone 2. Auf die Sourcezone 2 ist in Richtung der Scheibenvorderseite 7 nacheinander die Bodyzone 5 und die an die Scheibenvorderseite 7 angrenzende Drainzone 6, in die Drainkontaktzonen 8 eingebettet sind, angeordnet. Das Halbleiterbauelement weist Gräben 10 auf, die von der Scheibenvorderseite 7 von der Drainzone 6 über die Bodyzone 5 bis in die Sourcezone 2 reichen. Die in den Gräben 10 angeordneten und über ein Gateoxid 11 gegenüber dem Halbleiterkörper 1 isolierten Gateelektroden 12 ragen aus den Gräben 10 und damit aus dem Halbleiterkörper 1 heraus und bilden an der Scheibenvorderseite 7 in etwa nagelkopfförmige Feldplatten 12' aus. Der Abstand a zweier benachbarter Gräben 10 beträgt hier typischerweise etwa 1–10 μm.
  • Im Sperrbetrieb solcher vertikaler Halbleiterbauelemente können Spannungen auftreten, die größer sind als die Durchbruchspannung des Halbleiterbauelements, wodurch ein Drain/Source- Sperrstrom entsteht, der aufgrund des ohmschen Widerstandes in der Bodyzone einen diesem Widerstand entsprechenden Spannungsabfall verursacht. Übersteigt dieser Spannungsabfall die Einschaltspannung des durch die Sourcezone und die Bodyzone gebildeten pn-Übergangs, so wird ein parasitärer Bipolartransistor, dessen Emitter, Basis und Kollektor durch die Sourcezone, Bodyzone und Drainzone gebildet wird, unerwünschterweise eingeschaltet. Ein derartiges unerwünschtes Einschalten ist als sogenannter "Latch-up"-Effekt bekannt. Die parasitäre Diode zwischen Sourcezone und Bodyzone wird dadurch veranlasst, Elektronen in die Raumladungszone zu injizieren, was letztendlich einen unerwünschten, sogenannten Lawinendurchbruch verursacht. Tritt dieser Fall ein, so sinkt die Sperrspannung des Halbleiterbauelements signifikant, d. h. um etwa 30% bis 50%, wodurch das Halbleiterbauelement in der Regel zerstört wird.
  • Wie bei praktisch allen bekannten Source-Down-Transistorstrukturen ist es zur Vermeidung eines solchen unerwünschten "Latch-up"-Effektes zwischen Sourcezone und Bodyzone notwendig, die Sourcezone niederohmig an die Bodyzone anzukoppeln. Dies kann beispielsweise durch einen elektrischen Kurzschluss zwischen Sourcezone und Bodyzone realisiert werden, was in 1 mit einer Kontaktverbindung 16 schematisch dargestellt wurde.
  • Ein wesentlicher Nachteil von Source-Down-Transistoren nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die Bodyzone in vergleichsweise kurzen Abständen von etwa 10 μm mit der Sourcezone verbunden werden muss, um eine ausreichend niederohmige Verbindung zwischen diesen Zonen zu gewährleisten und damit einen Latch-up-Effekt zu vermeiden. Damit einhergehend ist jedoch ein unerwünscht hoher spezifischer Einschaltwiderstand RON, der aus dem für solche Bauelemente größeren Platzbedarf auf dem Halbleiterchip herrührt. Halbleiterbauelemente mit derartig hohen Einschaltwiderständen sind jedoch hinsichtlich deren Leistungsaufnahme häufig nicht akzeptabel.
  • Hilfselektroden zur Minimierung des Einschaltwiederstandes sind im Verbindung mit MOS-Transistoren aus der DE 198 54 915 C2 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art bereitzustellen, das einen möglichst geringen spezifischen Einschaltwiderstand aufweist und bei dem Latch-up-Effekte dennoch weitestgehend vermieden werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäss ist ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement vorgesehen, das gekennzeichnet ist durch Hilfselektrodenbereiche, die in den Drainzonen angeordnet sind und die im Sperrfall des Halbleiterbauelementes Ladungsträger aus der Drainzone absaugen.
  • Im Sperrbetrieb des Halbeiterbauelements werden in der Raumladungszone zwischen Draingebiet und Bodygebiet drainseitig Elektronen-Loch-Paare durch thermische Generation erzeugt. Die Elektronen werden von der Drainkontaktzone abgesaugt, wohingegen die Löcher in die Bodyzone abfließen. Ist die Bodyzone nicht oder sehr hochohmig an die Sourcezone angeschlossen, so kann dies dazu führen, dass die durch die Sourcezone und Bodyzone gebildete pn-Diode in Flussrichtung gepolt wird. Es werden dadurch Elektronen in die Raumladungszane der Drainzone injiziert. Durch Stoßionisation werden in der Drainzone weitere Elektronen-Loch-Paare generiert, was zu dem bekannten Lawinendurchbruch und somit zu einem unerwünschten "Latchen" der Halbleiterstruktur führt.
  • Durch das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement mit einem oder mehreren in der Drainzone angeordneten Hilfselektrodenbereiche werden nahezu alle Löcher abgesaugt, so dass sie nicht oder nur in stark reduzierter Menge in die Bodyzone gelangen können. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann dar auf verzichtet werden, die Bodyzone niederohmig mit der Sourcezone zu verbinden.
  • Zweckmäßigerweise sind die Hilfselektrodenbereiche elektrisch jeweils mit der Sourceelektrode gekoppelt, so dass die Hilfselektrodenbereiche auf dem Potential des Sourceanschluss liegen.
  • Typischerweise weisen die Hilfselektrodenbereiche dieselbe Dotierung wie die Bodyzonen auf. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Hilfselektrodenbereiche eine sehr hohe Dotierung aufweisen. Jedoch wäre es auch denkbar, wenn die Hilfselektrodenbereiche ein Metall, ein Silizid oder hochdotiertes Polysilizium enthalten.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung grenzen die Hilfselektrodenbereiche unmittelbar an das Dielektrikum der Gräben an. Diese an das Dielektrikum angrenzenden Hilfselektrodenbereiche können an die Scheibenoberfläche treten. Auf diese Weise wird das mitunter sehr empfindliche Gateoxid bzw. Gatedielektrikum bei einem Spannungsdurchbruch vor Zerstörung geschützt. Es ist hier nicht notwendig, dass die in den Gräben angeordneten Gateelektroden nagelkopfartig aus der Scheibenoberfläche herausragen. Vielmehr reicht es gemäss einer herstellungstechnisch besonders einfachen und deshalb sehr vorteilhaften Ausführungsform aus, wenn die Gateelektroden ausschließlich innerhalb der Gräben angeordnet sind. Diese Ausgestaltung bietet insbesondere in Bezug auf die Herstellungskosten Vorteile.
  • Weiterhin wäre es auch denkbar, dass die Hilfselektrodenbereiche zumindest teilweise auch unmittelbar an die Bodybereiche angrenzen.
  • Die erfindungsgemäßen Hilfselektrodenbereiche ermöglichen, dass deren Anschlüsse in der Ebene der Scheibenvorderseite einen Abstand von 100 bis 1000 μm zueinander aufweisen. Solch große Abstände fallen bei einem gattungsgemäßen Halbleiterbauelement flächenmäßig jedoch nicht weiter in Gewicht. Auf diese Weise lässt sich ein Chipflächen sparendes Design angeben, was wiederum aus Kostengründen vorteilhaft ist.
  • Für den Fall, dass die Drainzonen n-dotiert sind, werden von den Hilfselektrodenbereichen Löcher abgesaugt, im anderen Fall bei p-dotierten Drainzonen werden Elektronen abgesaugt.
  • Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente sind vorteilhafterweise als MOSFETs ausgebildete Source-Down-Bauelemente, jedoch wären auch andere Bauelemente, wie zum Beispiel IGBTs, Thyristoren oder ähnliche Halbleiterbauelemente denkbar.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfselektrodenbereiche über einen extern ausgebildeten Kurzschluss mit der Source-Elektrode elektrisch verbunden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfselektrodenbereiche über Kurzschlussbereiche des ersten Leitungstyps, die innerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet sind, mit der Sourcezone elektrisch leitend verbunden. Typischerweise sind diese die Hilfselektrodenbereiche und Sourcezone miteinander verbindenden Kurzschlussbereiche außerhalb des Zellenfeldes des Halbleiterbauelementes, vorzugsweise im Randbereich des Halbleiterbauelementes, angeordnet.
  • Über die wie in den beiden vorstehenden Absätzen beschriebenen externen und/oder internen Kurzschlüsse lassen sich die Hilfselektrodenbereiche mit dem Potential der Sourcezone beaufschlagen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Hilfselektrodenbereiche innerhalb des Halbleiterkörpers im wesentlichen in vertikaler und/oder im wesentlichen in horizontaler Richtung angeordnet. Jedoch können die Hilfselektrodenbereiche selbstverständlich innerhalb der Drainzonen beliebig angeordnet sein.
  • Im Falle von im wesentlichen vertikal ausgerichteten Hilfselektrodenbereiche sind vorteilhafterweise keine Feldplatten für die Gateelektroden erforderlich, da bereits die vertikalen Hilfselektrodenbereiche den Schutz des Gateoxids sicherstellen können.
  • Im Falle von im wesentlichen in horizontaler Richtung angeordneten Hilfselektrodenbereiche weisen die Gateelektroden vorteilhafterweise Feldplatten auf. Die Feldplatten ragen dabei typischerweise nagelkopfförmig aus den Gräben heraus und überdecken dabei zumindest teilweise die sourceseitige Oberfläche des Halbleiterbauelementes. Durch die nagelkopfförmige Querschnittsform der Gateelektroden wird mithin vermieden, dass das maximal zulässige elektrische Feld im Gateoxid bei Anlegen der maximalen Drainspannung überschritten wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung 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. Es zeigt dabei:
  • 1 in einem Teilschnitt einen sogenannten Source-Down-MOSFET nach dem Stand der Technik;
  • 2 in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, als MOSFET ausgebildeten Source-Down-Transistors;
  • 3 in einem Teilschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Source-Down-Transistors;
  • 4 in einem Teilschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Source-Down-Transistors;
  • 5 in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Source-Down-Transistors;
  • 6 in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes entsprechend 5;
  • 7 in einem Teilschnitt ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung eines internen Kurzschlusses zwischen den Hilfselektrodenbereichen und der Sourcezone;
  • 8 die Draufsicht eines MOSFETs entsprechend 2 in der Ebene der Scheibenoberfläche.
  • In allen Figuren der Zeichnung wurden gleich bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern nichts anderes angegeben ist – mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 2 zeigt in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen als MOSFET ausgebildeten Source-Down-Transistors mit Hilfselektroden.
  • In 2 ist mit 1 ein Halbleiterkörper – beispielsweise aus Silizium – bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 weist eine n+ dotierte Sourcezone 2 auf. Die Sourcezone 2 ist an einer ersten Oberfläche 3 (Scheibenrückseite) großflächig mit einer Source-Metallisierung 4 (Sourceelektrode) kontaktiert. An der der Sourceelektrode 4 entgegengesetzten Seite der Sourcezone 2 ist nacheinander eine (oder mehrere) p-dotierte Bodyzone 5 sowie eine (oder mehrere) n-dotierte Drainzone 6 aufgebracht. Die Bodyzone 5 und Drainzone 6 können in bekannter Art und Weise durch Ionen-Implantation oder Diffusion in den Halbleiterkörper 1 eingebracht und/oder durch Epitaxie auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht werden. An einer zweiten Oberfläche 7 des Halbleiterkörpers 1 sind n+ dotierte Drain-Kontaktzonen 8 in die Drainzonen 6 eingebettet. Die Drain-Kontaktzonen 8 sind jeweils über Drain-Metallisierungen 9 (Drainelektrode) kontaktiert. Die Drain-Kontaktzonen 8 dienen dem Zweck eines möglichst guten, das heißt ohmschen Kontaktes zwischen der Drain-Metallisierung 9 und dem Halbleiterkörper 1.
  • An der zweiten Oberfläche 7 sind ferner Gräben 10 in den Halbleiterkörper 1 derart eingebracht, dass diese von den Drainzonen 6 über die Bodyzonen 5 bis in die Sourcezone 2 hinein reichen. In einem Graben 10 ist jeweils eine Gateelektrode 12 angeordnet, die über ein Dielektrikum 11 von den Wandungen 13 der Gräben 10 beabstandet und isoliert ist. Ferner ist die Gateelektrode 12 gegenüber dem Halbleiterkörper 1 sowie gegenüber der Drain-Metallisierung 9 über ein weiteres Dielektrikum 18, z. B. Siliziumdioxid, isoliert.
  • Die im Bereich der Bodyzone 5 an die Wandungen 13 der Gräben 10 angrenzenden Bereiche definieren eine Kanalzone 14. Im eingeschalteten Zustand des Halbleiterbauelementes kann sich im Bereich der Kanalzone 14 ein stromführender Pfad ausbilden.
  • Auf diese Weise wird ein vertikales, sogenanntes Source-Down-Halbleiterbauelement gebildet, bei dem der Source-Anschluss S sich an der Scheibenrückseite 3 befindet und mit der Sourceelektrode 4 verbunden ist und der Gate-Anschluss G und Drain- Anschluss D an der Scheibenvorderseite 7 angeordnet sind und jeweils mit der Gateelektrode 12 und der Drainelektrode 9 verbunden sind.
  • Die Gräben 10 können in bekannter Weise, beispielsweise durch ein sogenanntes "Deep-Trench"-Verfahren, in den Halbleiterkörper 1 eingeätzt werden. Anschließend kann eine thermische Oxidation zur Bildung des typischerweise als Gateoxid ausgebildeten Dielektrikums 11 durchgeführt werden. In die Gräben 10 wird anschließend hochdotiertes Polysilizium zur Bildung der Gateelektroden 12, beispielsweise durch Abscheiden, eingebracht. Für die Gateelektroden 12 kann jedoch auch ein anderes Material, beispielsweise ein Metall oder ein Silizid, zum Einsatz kommen, wenngleich diese Materialien herstellungstechnisch und aufgrund deren physikalischen und elektrischen Eigenschaften nicht so vorteilhaft sind wie hochdotiertes Polysilizium. Gleichsam kann als Dielektrikum 11 statt Siliziumdioxid (SiO2) auch jedes andere isolierende Material, beispielsweise Siliziumnitrit (Si3N4) oder auch ein Vakuum, Verwendung finden, jedoch ist thermisch hergestelltes Siliziumdioxid als Gateoxid qualitativ am hochwertigsten und deshalb vorzuziehen.
  • Erfindungsgemäß sind im Bereich der Drainzone 6 an den Wandungen 13 der Gräben 10 angrenzende p+ dotierte Hilfselektrodenbereiche 15 vorgesehen. Diese Hilfselektrodenbereiche 15, die an die Gräben 10 und somit an das Dielektrikum 11 angrenzen, sind über Hilfselektrodenanschlüsse H elektrisch angeschlossen. Vorteilhafterweise, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Hilfselektrodenanschlüsse H elektrisch mit dem Source-Anschluss S an der Scheibenrückseite 3 verbunden, so dass die Hilfselektrodenbereiche 15 das Sourcepotential aufweisen.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 grenzen die Hilfselektrodenbereiche 15 zwar an die Gräben 10 an, jedoch ist dies nicht zwingend notwendig, sondern sie können mehr oder weniger beliebig in der Nähe der Gräben 10 bzw. auch in der Nähe der Bodyzone 5 angeordnet sein. Drei weitere Ausführungsbeispiele von Source-Down-Halbleiterbauelementen, bei denen die Hilfselektrodenbereiche 15 auf andere Weise angeordnet sind, sind in den 3 bis 5 dargestellt. In 3 sind die Hilfselektrodenbereiche 15 zusätzlich noch an die Bodyzonen 5 angeschlossen. Gemäß 4 sind die Hilfselektrodenbereiche 15 zwar von den Wandungen 13 der Gräben 10 beabstandet, jedoch in unmittelbarer Nähe zu diesen angeordnet. In 2 bis 4 sind die Hilfselektrodenbereiche 15 im wesentlichen vertikal ausgrichtet.
  • 5 zeigt in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Source-Down-Transistors. Dort sind die Hilfselektrodenbereiche 15 innerhalb der Drainzone 6 im wesentlichen horizontal ausgerichtet und in unmittelbarer Nähe zur Bodyzone 5 angeordnet. In 5 erstrecken sich die Hilfselektrodenbereiche 15 somit im wesentlichen horizontal und nahezu über die gesamte Breite einer Zelle bzw. der Drainzonen 6 des Halbleiterbauelementes.
  • In 5 sind die Hilfselektrodenbereiche 15 als durchgehende Schicht dargestellt, jedoch ist dies nicht zwingend notwendig; vielmehr können die Hilfselektrodenbereiche 15 mehr oder weniger, beispielsweise rasterförmig, unterbrochen sein. An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass auch die vertikal sich in die Tiefe des Halbleiterkörpers 1 erstreckenden Hilfselektrodenbereiche 15 gemäß der 2 bis 4 mehr oder weniger unterbrochen angeordnet sein können.
  • 6 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes entsprechend 5. Die Zellen des Halbleiterbauelementes sind hier streifenförmig angeordnet. Allerdings sei die Erfindung nicht ausschließlich auf ein Halbleiterbauelelement beschränkt, dessen Zellen streifenförmig bzw. mehr oder weniger parallel zueinander angeordnet sind. Vielmehr ist die Erfindung sehr vorteilhaft auf alle möglichen Halbleiterbauelemente mit runden, ovalen, quadratischen, rechteckförmigen, hexagonalen, etc. oder mehr oder weniger unregelmäßigen Zellendesign anwendbar. Die Erfindung ist darüber hinaus nicht ausschließlich auf in einem Zellenfeld angeordnete Halbleiterbauelemente beschränkt, sondern kann auch bei diskreten oder Einzelhalbleiterbauelelementen, wie z. B. einem einzelnen Transistor, sehr vorteilhaft angewendet werden.
  • Vorteilhafterweise weisen die Hilfselektrodenbereiche 15 das Potential der Source-Elektrode 4 auf. Dies kann beispielsweise durch einen externen Kurzschluss erreicht werden, der in 6 symbolisch mit einer mit Bezugszeichen 19 versehen Verbindung dargestellt wurde.
  • 7 zeigt ein alternatives, eleganteres Ausführungsbeispiel, die Hilfselektrodenbereiche 15 mit dem Potential der Source-Elektrode 4 zu beaufschlagen. Es wurde hier ein Halbleiterbauelement entsprechend 6 mit einem Schnitt entlang der Gerade A-A' dargestellt. Hierbei werden vorzugsweise außerhalb des Zellenfeldes, insbesondere im Randbereich des Halbleiterbauelementes, die Hilfselektrodenbereiche 15 mit der Sourcezone 2 kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluss erfolgt hier innerhalb des Halbleiterkörpers 1 mittels Kurzschlussbereiche 20 vom selben Leitungstyp wie die Sourcezone 2 und die Hilfselektrodenbereiche 15. Die Kurzschlussbereiche 20, die durch die Bereiche der Drainzone 6 gebildet werden, jedoch p-dotiert sind, verbinden die Sourcezone 2 und die Hilfselektrodenbereiche 15 elektrisch miteinander. 7 zeigt in einem Teilschnitt entlang der Gerade A-A' entsprechend 6 die Realisierung eines derartigen internen Kurzschlusses.
  • In den vorliegenden Ausführungsbeispielen gemäß der 2 bis 7 sind die Hilfselektrodenbereiche 15 stark p-dotiert. Es wäre selbstverständlich auch denkbar, dass die Hilfselektrodenbereiche 15 eine geringere Dotierung derart aufweisen, dass sich über die Dotierungskonzentration gezielt eine geeignete Sperrfähigkeit einstellen lässt. Darüber hinaus wäre auch denkbar, dass die Hilfselektrodenbereiche 15 ein anderes Material, beispielsweise hochdotiertes Polysilizium, ein Silizid, ein Metall oder ein ähnlich leitendes Material, enthalten.
  • Nachfolgend wird die Herstellung und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes anhand von 2 näher beschrieben: Wird eine positive Spannung an die Gateelektroden 12 angelegt, dann bildet sich innerhalb der Bodyzone 5 eine Kanalzone 14 aus, die je nach angelegter Spannung mehr oder weniger n-leitend ist. Wird der Drainanschluss D auf positives Potential gelegt, dann bildet sich ein Strompfad von der Sourcezone 2 über den sich ausgebildeten Kanal 14 zu den Drainzonen 6 aus. Die Dicke der Bodyzone 5 ist hier ein Maß für die Kanallänge. Der effektive Weg der Elektronen in der Drainzone 6 entspricht der Driftstrecke und ist somit ein Maß für die Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelementes. Die Ausdehnung und die Dotierungskonzentration der Bodyzone 5 kann beispielsweise bei dessen Herstellung, also bei der Epitaxie oder Diffusion, durch die Wahl der Prozessparameter so eingestellt werden, dass die Einsatzspannung und die Kanallänge der MOSFETs genau einstellbar ist. Bei der Dimensionierung der Sourcezone 2 ist darauf zu achten, dass dessen Dotierungskonzentration möglichst hoch ist, um so eine möglichst niederohmige Verbindung zur Scheibenrückseite 3 zu gewährleisten.
  • Im ausgeschalteten, dass heißt im gesperrten Zustand des Halbleiterbauelementes kann durch die Hilfselektrodenbereiche 15 gewährleistet werden, dass überschüssige Löcher in der Drainzone 6 quasi zielgerichtet in Richtung der Hilfselektrodenbereiche 15 abgesaugt werden (in 2 mit Bezugszeichen 17 dargestellt). Diese Löcher können dadurch nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil in die Bodyzone 5 gelangen. Durch die Verwendung der Hilfselektrodenbereiche 15 kann somit auf eine niederohmige Verbindung bzw. einen Kurzschluss zwischen der Bodyzone 5 und der Sourcezone 2 verzichtet werden, wobei dennoch ein unerwünschtes "Latchen" des Halbleiterbauelement vermieden wird.
  • Der Löcheranteil des in der Raumladungszone entstehenden Sperrstromes wird also zum größten Teil von den Hilfselektroden 15 abgesaugt, so dass die Basis des parasitären Bipolartransistors, dass heißt die floatende Bodyzone 5, bei einer gleichen Sperrspannung mit einem deutlich geringerem Strom angesteuert wird. Da innerhalb der Bodyzone 5 also deutlich weniger Ladungsträger vorhanden sind, als dies bei Halbleiterbauelementen nach dem Stand der Technik der Fall ist, beginnt der parasitären Bipolartransistors und damit die gesamte Halbleiterstruktur erst bei wesentlich höheren Sperrspannungen zu latchen.
  • Die Abstände und Dotierungsprofile werden vorteilhafterweise derart eingestellt, dass ein Spannungsdurchbruch nicht wie bei einer Halbleiterstruktur gemäss dem Stand der Technik zwischen der Drainzone 6 und der Bodyzone 5, sondern vielmehr zwischen der Drainzone 6 und den Hilfselektrodenbereichen 15 zustande kommt. Ein derartiger Spannungsabfall in den Hilfselektrodenbereichen 15 ist hier unkritisch, so dass die Abstände b für einen Anschluss der Hilfselektrode H sehr groß sein können. Zur Verdeutlichung zeigt 8 in einer Draufsicht in der Ebene der Scheibenvorderseite 7, wie und mit welchen Abständen die Hilfselektrodenbereiche 15 elektrisch miteinander verschaltet werden können. Typische Abstände b bewegen sich im Bereich von 100 bis 1000 μm. Derartige große Abstände fallen jedoch flächenmäßig nicht besonders ins Gewicht.
  • Die Hilfselektrodenbereiche 15 dienen darüber hinaus auch dem Schutz des Gateoxids 12 vor Spannungsdurchbrüchen, die normalerweise zur Zerstörung des Gateoxids 12 und somit zum Ausfall des gesamten Halbleiterbauelementes führen kann. Gegenüber der Source-Down-Struktur gemäss dem Stand der Technik (siehe 1) sind bei der erfindungsgemäßen Struktur entsprechen der 2 – 4, dass heißt also bei im wesentlichen vertikalen ausgerichteten Hilfselektrodenbereiche 15, keine Feldplatten 12' für die Gateelektroden 12 erforderlich, da bereits die vertikalen Hilfselektrodenbereiche 15 den Schutz des Gateoxids 11 sicherstellen können. Es reicht hier also, dass die Gateelektroden 12 gänzlich innerhalb der Gräben 10 angeordnet sind. Neben der herstellungstechnisch einfachen Herstellung ist damit auch eine höhere Integrationsdichte und somit eine bessere Ausnutzung der Chipfläche möglich.
  • Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf die Ausführungsbeispiele gemäß der 2 bis 8 beschränkt. Vielmehr können dort beispielsweise durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p eine Vielzahl neuer Bauelementvarianten angegeben werden. Bezüglich weiterer Ausführungsbeispiele wird auch auf die eingangs erwähnte DE 198 38 439 C2 verwiesen, die vollinhaltlich in die vorliegende Patentanmeldung mit einbezogen wird.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere bei sogenannten, als MOSFETs ausgebildeten Source-Down-Transistoren. Jedoch sei die Erfindung nicht auf MOSFETs beschränkt, sondern kann im Rahmen der Erfindung auf beliebige Halbleiterbauelemente, beispielsweise JFETs, IGBTs und dergleichen, erweitert werden.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch das Einfügen von Hilfselektrodenbereiche bei Source-Down-Transistoren auf einfache, jedoch nichts desto trotz sehr effektive Weise auf eine niederohmige Verbindung zwischen Source und Body verzichtet werden kann, ohne dass gleichzeitig die bei Halbleiterbauelementen nach dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile einer geringen Chipflächenausnutzung bzw. eines geringen Einschaltwiderstandes in Kauf genommen werden müssten.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung so dargelegt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglich zu erklären. Selbstverständlich lässt sich die vorliegende Erfindung im Rahmen des fachmännischen Handels und Wissens in geeigneter Weise in mannigfaltigen Ausführungsformen und Abwandlungen realisieren.
    • 1
    Halbleiterkörper
    2
    Sourcezone
    3
    erste Oberfläche, Scheibenrückseite
    4
    Sourceelektrode, Source-Metallisierung
    5
    Bodyzone
    6
    Drainzone
    7
    zweite Oberfläche, Scheibenvorderseite
    8
    Drain-Kontaktzonen
    9
    Drainelektrode, Drain-Metallisierung
    10
    Gräben
    11
    Dielektrikum, Gateoxid
    12
    Gateelektrode
    12'
    Feldplatte (an der Gateelektrode)
    13
    Wandungen
    14
    Kanalzone
    15
    Hilfselektrodenbereiche
    16
    elektrischer Kurzschluss zwischen Sourcezone
    und Bodyzone
    17
    Spannungsdurchbruch, Löcherstromrichtung
    18
    weiteres Dielektrikum
    19
    externer Kurzschluss
    20
    Kurzschlussbereiche, interner Kurzschluss
    S
    Source-Anschluss
    G
    Gate-Anschluss
    D
    Drain-Anschluss
    H
    Hilfselektroden-Anschluss
    a
    Abstand benachbarter Gräben
    b
    Abstand der Hilfselektroden-Metallisierung

Claims (15)

  1. Durch Feldeffekt steuerbares, vertikales Halbleiterbauelement bestehend aus einem Halbleiterkörper (1) mit mindestens einer Sourcezone (2) vom ersten Leitungstyp, die an die Scheibenrückseite (3) angrenzt und dort mit einer Sourceelektrode (4) verbunden ist, mit mindestens einer Bodyzone (5) vom zweiten Leitungstyp, die an der der Scheibenrückseite (6) entgegengesetzten Seite an die Sourcezone (2) angrenzt, mit mindestens einer Drainzone (6) vom ersten Leitungstyp, die an die Bodyzone und an die Scheibenvorderseite (7) angrenzt und die an der Scheibenvorderseite (7) mit einer Drainelektrode (9) verbunden ist, mit mindestens einer Gateelektrode (12), die jeweils in einem Graben (10) angeordnet ist und gegenüber dem Halbleiterkörper (1) über ein Dielektrikum (11) isoliert ist, wobei die Gateelektroden (12) von den Drainzonen (6, 8) über die Bodyzonen (5) bis in die Sourcezone (2) hineinragen, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfselektrodenbereiche (15) vorgesehen sind, die in den Drainzonen (6) angeordnet sind und die im Sperrfall des Halbleiterbauelementes Ladungsträger aus den Drainzonen (6, 8) absaugen.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) mit einem Hilfselektrodenanschluss (H) verbunden sind, wobei der Hilfselektrodenan schluss (H) und die Sourceelektroden (S) dasselbe Potential aufweisen.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) eine Dotierung des zweiten Leitungstyps aufweisen.
  4. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) unmittelbar an das Dielektrikum (11) angrenzen.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hilfselektrodenbereiche (15) in unmittelbarer Nähe zu dem Dielektrikum (11) an die Oberfläche der Scheibenvorderseite (7) treten.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (12) ausschließlich innerhalb der Gräben (10) angeordnet sind und eine obere Fläche aufweisen, die auf derselben Ebene oder unterhalb der Ebene der Scheibenvorderseite (7) angeordnet ist.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) zumindest teilweise an die Bodyzone (5) angrenzen.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenanschlüsse (H) in der Ebene der Scheibenvorderseite (7) einen Abstand (b) im Bereich von 100 bis 1000 μm zueinander aufweisen.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von n-dotierten Drainzonen (6) Löcher und im Falle von p-dotierten Drainzonen (6) Elektronen von den Hilfselektrodenbereichen (15) abgesaugt werden.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als MOSFET ausgebildet ist.
  11. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) über einen externen Kurzschluss (19) mit der Source-Elektrode (4) verbunden sind.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) über einen Kurzschlussbereich (20) des ersten Leistungstyps, der innerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist, mit der Sourcezone (2) verbunden sind.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussbereiche (20) außerhalb des Zellenfeldes des Halbleiterbauelementes, insbesondere in dessen Randbereich, angeordnet sind.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrodenbereiche (15) innerhalb des Halbleiterkörpers (1) im wesentlichen in vertikaler Richtung und/oder im wesentlichen in horizontaler Richtung des Halbleiterbauelements angeordnet sind.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von im wesentlichen in horizontaler Richtung angeordneten Hilfselektrodenbereiche (15) die Gateelektroden (12) Feldplatten (12') aufweisen, die nagelkopfförmig aus den Gräben (10) herausragen.
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