DE10122364A1

DE10122364A1 - Kompensationsbauelement, Schaltungsanordnung und Verfahren

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Publication number: DE10122364A1
Application number: DE10122364A
Authority: DE
Inventors: Hans Weber; Dirk Ahlers; Gerald Deboy
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: CN1388588A; DE10122364B4; CN1230907C; US7193293B2; US20020167082A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation, das derart ausgestaltet ist, dass dessen Durchbruchspannung bei konstanter Temperatur als Funktion der Zeit zunimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Dotierung einer erfindungsgemäßen Kompensationsschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 2 und 3, eine Schaltungsanordnung so wie zwei Verfahren zur Herstellung einer Kompensationsschicht eines solchen Kompensationsbauelements.

Solche Kompensationsbauelemente beruhen auf dem Prinzip, dass sich bei Anlegen einer Sperrspannung die freien Ladungsträger der n- und p-dotierten Gebiete innerhalb der Driftregion mehr oder weniger gegenseitig ausräumen und damit kompensieren. Der Vorteil eines solchen Kompensationsbauelementes besteht darin, dass es im Durchlassbetrieb einen gegenüber herkömmli chen Halbleiterbauelementen deutlich verringerten Einschalt widerstand und im Sperrbetrieb eine sehr gute Sperrcharakte ristik aufweist. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Kompensationsbauelemente ist vielfach bekannt und beispiels weise in den US-Patenten US 5,216,275 und US 5,754,310 wie auch in der WO 97/29518, der DE 43 09 764 C2 und der DE 198 40 032 C1 beschrieben. Nachfolgend wird daher auf eine de taillierte Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise solcher Kompensationsbauelemente verzichtet.

Kompensationsbauelemente können in einer Vielzahl von Bauele mentvarianten, wie z. B. MOS-Transistoren, Dioden, Thyristo ren, GTOS, IGBTS und dergleichen, Anwendung finden, wenn gleich sie heute zumeist als MOS-Transistoren eingesetzt wer den. Im folgenden soll daher als Beispiel eines Kompensati onsbauelementes 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 Sperrfähigkeit eine statische Bauelementeigenschaft. Soll bei einem solchen Halbleiterbauelement applikationsbedingt eine sehr hohe Sperrspannung erreicht werden, geht dies allerdings zu Lasten anderer elektrischer Eigenschaften des Halbleiter bauelementes, wie z. B. einer Verschlechterung des Einschalt widerstandes RDSon und einer geringeren Stromtragfähigkeit. Insbesondere zeigt die DE 198 40 032 C1 einen weiteren Mit telweg zwischen Durchbruchspannung Avalanche-Zerstörungs energien.

Zur Auslegung der Sperrfähigkeit eines Halbleiterbauelementes sind verschiedene Randbedingungen zu beachten:
In einer ersten Applikation muss das Halbleiterbauelement in der Lage sein, die beim Schalten von großen Strömen und/oder Spannungen wiederholt vorkommenden Durchbruchspannungen bei hohen Strömen aber geringer Energie für kurze Zeit zu tragen. Solche Halbleiterbauelemente kommen als Leistungsschalter zum Schalten großer Lasten, wie z. B. bei Schaltnetzteilen, Schaltreglern, getaktete Stromversorgungen und dergleichen, zum Einsatz.

Bei derartigen Schaltungsanordnungen kommt es je nach Quali tät des Schaltungslayouts und des Übertragers mithin zu Streuinduktivitäten im µH-Bereich (einige 10 µH). Diese Streuinduktivitäten sind nicht über die in der Schaltungsan ordnung typischerweise vorgesehenen Entlastungselemente, z. B. Pufferkapazitäten, gepuffert und treiben daher das Halblei terbauelement in den Avalanche-Durchbruch. Der Durchbruch dauert typischerweise nur ein sehr kurze Zeit an, nämlich ge nau solange, bis die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie vollständig abgebaut ist. Das Halbleiterbauelement muss in diesen Fällen applikationsbedingt derart ausgelegt sein, dass es die von den Streuinduktivitäten abgegebene Energie für die Dauer des Durchbruchs aufnehmen kann, so dass dessen Funktionalität für später wiederkehrende, gleichartige Durchbrüche nicht beeinträchtigt wird.

In einer zweiten Applikation muss die Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelementes auch für die Beherrschung sehr selten auftretender Betriebszustände ausgelegt sein, bei denen eine deutlich höhere Sperrspannung als in der ersten Applikation gefordert ist. Beispielsweise kann es bei Leistungshalblei terbauelementen, bei als Sperrwandler ausgebildeten Schalt netzteilen und bei Power-Factor-Controllern (PFC) verwendet werden, dazu kommen, dass über die Versorgungsspannungsquelle derart hohe Spannungsspitzen eingekoppelt werden, dass diese sich nicht mehr über einen Eingangsfilter herausfiltern las sen. Diese versorgungsspannungsseitigen Spannungsspitzen füh ren gleichermaßen zu deutlich überhöhten Spannungsspitzen im Lastkreis des Leistungshalbleiterbauelementes. So können bei spielsweise auch bei der Ansteuerung einer Gasentladungslampe mittels einer konventionellen Halbbrückenschaltung oder einem High-Side oder Low-Side-Leistungstransistor beim Anschalten der Lampe oder bei wiederholten Zündimpulsen höhere Span nungsspitzen als im Normalbetrieb auftreten. Diese eben ge nannte Dissipation von Energien kann im Extremfall zur ther mischen Zerstörung des Halbleiterbauelementes führen. Um die Funktionalität der gesamten Schaltungsanordnung auch im Falle einer außergewöhnlichen hohen Überspannung zu gewährleisten, ist es erforderlich, ein Halbleiterbauelement bereitzustel len, welches für eine deutlich höhere Sperrspannung ausgelegt ist.

Die für die zweite Applikation erforderlichen Sperrspannungen sind deutlich höher als die für die erste Applikation. Bei spielsweise weist ein Halbleiterbauelement, welches für eine Sperrspannung von 600 V ausgelegt ist, eine Durchbruchspan nung für die erste Applikation im Bereich von 300-400 V Sperrspannung auf. Herkömmliche Halbleiterbauelemente müssen daher hinsichtlich ihrer Sperrfähigkeit auf die zweite Appli kation hin dimensioniert werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass sich der Einschaltwiderstand RDSon deutlich erhöht und das Halbleiterbauelement damit ein wesentlich schlechteres "Cost-Performance"-Verhältnis aufweist.

Wird das Halbleiterbauelement lediglich für die erste Appli kation, also für eine deutlich verringerte Sperrspannung aus gelegt, weist es zwar einen deutlich reduzierten Einschaltwi derstand RDSon auf, jedoch würde dieses Halbleiterbauelement und somit die gesamte Schaltungsanordnung im Falle eines Spannungsdurchbruchs entsprechend der zweiten Applikation ir reparabel beschädigt bzw. sogar zerstört werden.

Es besteht somit der Bedarf, ein Halbleiterbauelement bereit zustellen, welches hinsichtlich seiner Sperrfähigkeit auf die erste Applikation ausgelegt ist, aber nichts desto trotz auch im Falle eines Spannungsdurchbruchs entsprechend der zweiten Applikation funktionsfähig bleibt.

Ein Halbleiterbauelement mit einer derartigen Funktionalität ist jedoch bislang nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit der vorstehend genannten Funkti onalität auszustatten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kompensations bauelement mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 2 und 3 gelöst. Demgemäss ist ein gattungsgemäßes Kompensationsbau element nach dem Prinzip der Ladungsträgerkompensation vorge sehen, welches derart ausgebildet ist, dass dessen Durch bruchsspannung bei konstanter Temperatur als Funktion der Zeit zunimmt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch eine Schaltungs anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 sowie zwei Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 23 und 24 ge löst.

Erfindungsgemäß wird also ein Halbleiterbauelement mit zeit lich ansteigender Durchbruchspannung bereitgestellt. Dieses Halbleiterbauelement ist für die "normale", im Dauerbetrieb benötigte niedrigere Durchbruchspannung ausgelegt und weist dennoch eine zusätzliche Spannungsreserve auf, auf die im Be darfsfall zurückgegriffen wird und mittels der das Halblei terbauelement im Ausnahmefall eine höhere Durchbruchsspannung aufweist. Eine derartige grundsätzlich neuartige Funktionali tät eröffnet einen zusätzlichen Freiheitsgrad im Design von Halbleiterbauelementen. Darüber hinaus eröffnen sich für sol che Halbleiterbauelemente eine Vielzahl neuer Applikationen.

Für die technische Realisierung und die Funktion eines sol chen Halbleiterbauelementes mit zeitlich ansteigender Durch bruchspannung ist eine Kompensationsschicht zwingend erfor derlich, dass heißt, es muss eine Halbleiterschicht mit ab wechselnden Gebieten unterschiedlichen Leitungstypen vorgese hen sein. Eine bestimmte Ausgestaltung dieser Kompensations struktur ist allerdings nicht erforderlich, d. h. die zum Zwe cke einer Ladungstrennung bereitgestellten Gebiete unter schiedlichen Leitungstyps müssen nicht notwendigerweise auf die Zellen eines Zellenfeldes justiert sein oder an diesen angeschlossen sein, sondern können mehr oder weniger beliebig unterhalb des Zellenfeldes angeordnet sein. Darüber hinaus ist die genaue Ausformung der Kompensationsstrukturen des gleichen nicht vorgegeben, d. h. sie können aus zusammenhän genden Säulen, Streifen, oder auch aus nicht zusammenhängen den kugelartigen Gebilden bestehen. Auch müssen diese Gebiet nicht notwendigerweise dieselben Dotierungskonzentrationen aufweisen.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes mit zeitlich ansteigender Durchbruchspannung beruht auf dem phy sikalischen Effekt, dass ein Teil der zur Ladungsträgerkom pensation beitragenden Raumladung bei Anlegen einer Sperr spannung an das Halbleiterbauelement zeitverzögert wirksam wird. Dieser physikalische Mechanismus ist als unvollständige Ionisation bekannt. Zu diesem Zwecke werden Dotierelemente bereitgestellt, die unter "normalen" Bedingungen, d. h. bei Betriebstemperatur des Halbleiterbauelementes oder bei Raum temperatur, nur zum Teil ionisiert sind, so dass nur der io nisierte Teil dieses Dotierstoffes zum Stromfluss beitragen kann. Derartige Elemente werden nachfolgend auch als Elemente mit unvollständiger Ionisation oder unvollständig ionisierte Elemente bezeichnet. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes und/oder mit steigender Temperatur steigt bei derartigen un vollständig ionisierten Elementen deren Ionisationsgrad.

Würde man in einem herkömmlichen Halbleiterbauelement ohne Kompensationsstruktur einen Teil der Dotierung durch gleich dotierende Elemente mit unvollständiger Ionisation ersetzen, würde die Durchbruchspannung als Funktion der Zeit sogar ab sinken und zwar in den wärmeren Bereichen des Halbleiterbau elementes schneller als in den kälteren Bereichen. Ein sol ches Halbleiterbauelement würde somit eine mit der Zeit ab nehmende Durchbruchspannungs-Charakteristik aufweisen, was für die eingangs genannten Applikationen gerade nicht er wünscht ist.

Erfindungsgemäß weist die Kompensationsschicht Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation auf, wobei hier darauf zu ach ten ist, dass die Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation in der Kompensationsschicht zumindest in den Gebieten dessel ben Leitungstyps enthalten sind. Als n-dotierende und p- dotierende Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation können beispielsweise Selen bzw. Palladium verwendet werden, die bei Raumtemperatur einen Ionisierungsgrad von etwa 20% aufwei sen. Bei Verwendung von Selen ist also darauf zu achten, dass dieser Dotierstoff zumindest in den n-dotierten Bereichen der Kompensationsschicht angeordnet ist. Gleichermaßen sollte bei Verwendung von Palladium dieses Element zumindest in den p- dotierten Bereichen der Kompensationsschicht angeordnet sein. Es sollte möglichst vermieden werden, sowohl Selen als auch Palladium, d. h. jeweils unterschiedlich dotierende Elemente mit unvollständiger Ionisation, in die Kompensationsschicht einzubringen.

Liegt an der Kompensationsschicht keine Sperrspannung an, dann ist lediglich ein Teil der Elemente mit unvollständiger Ionisation - bei Selen oder Palladium etwa 20% - ionisiert und damit elektrisch aktiv. Das Halbleiterbauelement ist in diesem Zustand für eine geringe Durchbruchspannung - bei spielsweise 300 V - ausgelegt. Wird an dieses Halbleiterbau element eine Sperrspannung angelegt und reicht die dadurch bedingte Raumladungszone an die Kompensationsschicht, dann steigt der Ionisationsgrad der Dotierstoffe mit zunehmender Zeit an und die so frei werdenden Ladungsträger wie auch die bereits vorhandenen Ladungsträger der Hintergrunddotierung werden durch die Raumladungszone sofort abtransportiert. Die Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation werden, so lange weiter ionisiert und vom elektrischen Feld abgesaugt, bis der maximale Ionisationsgrad erreicht ist. In diesem Zustand er reicht das Halbleiterbauelement aufgrund der vollständig io nisierten Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation und der Dotierstoffe der Hintergrunddotierung die maximale Durch bruchspannung - beispielsweise 600 V.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann vorteilhafter weise stark n-lastig ausgebildet sein. Eine stark n-lastige Auslegung einer Halbleiterschicht ergibt sich, wenn der Kom pensatiosgrad K ≧ 20%, insbesondere K ≧ 30%, ist. Die Durch bruchspannung kann hier sehr weit unter der spezifizierten Grenze der maximalen Durchbruchspannung von beispielsweise 600 V abgesenkt werden, beispielsweise auf 300 V. Die p- leitende Kompensationsstruktur kann hier sehr schwach ausge bildet sein bzw. im Grenzfall sogar aus schwachen n-dotierten Gebieten bestehen. Im eingeschalteten Zustand ist das Dotier element, welches für die zeitliche Verzögerung der Durch bruchspannung verantwortlich ist, unvollständig ionisiert. In diesem Fall erzeugen die nicht ionisierten Anteile auch kein elektrisches Querfeld und die Ausbildung eines parasitären Junction-FET-Transistors (J-FET) unterbleibt. Mit steigendem Ionisationsgrad wird der Verlauf des elektrischen Feldes fla cher und die Durchbruchspannung steigt dadurch bedingt an. Allerdings verringert sich dadurch auch die Durchbruchsfes tigkeit, da die Differenz der lokalen Raumladungsdichte hin zu einer perfekten Kompensation der Ladungsträger reduziert wird.

In einer weiteren, sehr vorteilhaften Auslegung kann die Kom pensationsstruktur auch sehr stark p-lastig ausgelegt werden. Eine stark p-lastige Auslegung einer Halbleiterschicht ergibt sich hier wieder, wenn der Kompensatiosgrad K ≧ 20%, insbe sondere K ≧ 30%, ist. Der zeitverzögerte Effekt wird hier durch entgegengesetzt dotierte Elemente mit unvollständiger Ionisation - beispielsweise mit Palladium - erreicht. In die sem Falle wird der Spannungsdurchbruch tief in die Raumla dungszone verlegt. Der Randbereich des Halbleiterbauelementes wird dadurch ebenfalls sicher entlastet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, die Dotierstoffe mit unvollständiger Ionisation nicht ausschließlich in den gleich dotierten Gebieten der Kompensationssicht anzuordnen. Da die Elemente mit unvoll ständiger Ionisation, wie z. B. Selen und Palladium, einen re lativen hohen Diffusionskoeffizienten aufweisen, ist es be sonders vorteilhaft, diese Elemente großräumig zu strukturie ren bzw. über die gesamte Kompensationsschicht zu verteilen. Bei einem großflächigen Einbringen der Elemente mit unvoll ständiger Ionisation wirken diese in den Gebieten des entge gengesetzten Leitungstyps allerdings kompensierend hinsicht lich der dort lokal vorhandenen Dotierung. Es ist hier darauf zu achten ist, dass die Dotierungskonzentration in diesen Ge bieten vorgehalten wird, d. h. um die Dotierung des Elementes mit unvollständiger Ionisation vergrößert wird. In den Gebie ten des gleichen Leitungstyps wirken die Elemente mit unvoll ständiger Ionisation im Sinne der Erfindung.

Besonders vorteilhaft sind als Elemente mit unvollständiger Ionisation solche Materialen, die bei Betriebstemperatur des Halbleiterbauelementes tatsächlich nur teilweise ionisiert sind. Der Abstand des Dotierstoffniveaus dieser Materialien von der jeweiligen Bandkante legt dabei den Ionisationsgrad, sowie thermische Generationsrate und damit das zeitliche Ver halten der Durchbruchspannung fest. Als n-dotierendes Element mit unvollständiger Ionisation eignet sich vor allem Selen, als p-dotierendes Element vor allem Palladium. Jedoch sei die Erfindung nicht auf diese Elemente beschränkt. Vielmehr könn ten an Stelle dieser Elemente auch andere Elemente mit un vollständiger Ionisation verwendet werden. Zum Beispiel könn te als n-dotierendes Element auch Wismut, Titan, Tantal, etc. verwendet werden. Alternativ könnte als p-dotierendes Element auch Indium oder Thallium verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das unvollständig ionisierte Element in einer Dotierungskonzentration im Be reich von 20 bis 100%, insbesondere größer 50%, der Dotie rungskonzentration gleichen Leitungstyps in der jeweiligen Zone vorgesehen.

In einer typischen Ausgestaltung ist eine Drainzone vorgese hen, an die die Kompensationsschicht großflächig angrenzt. Ferner weist die Kompensationsschicht vorteilhafterweise eine Driftzone auf, die zwischen den Ausräumzonen bzw. Komplemen tärausräumzonen und der Drainzone angeordnet ist und an diese Zonen angrenzt. Diese Driftzone weist - insbesondere bei ei nem MOSFET - und eine geringere Dotierungskonzentration als die Ausräumzonen bzw. Komplementärausräumzonen und die Drain zone auf.

Für den Fall, dass die Drainzone denselben Dotierungstyp auf weist wie die Sourcezone bzw. auch die Komplementärausräumzo nen, handelt es sich vorteilhafterweise um ein als MOSFET - insbesondere als Leistungs-MOSFET - ausgebildetes Halbleiter bauelement. Für den Fall, dass die Drainzone einen entgegen gesetzten Leistungstyp aufweist, ergibt sich vorteilhafter weise ein als IGBT ausgebildetes Halbleiterbauelement.

Ein einer typischen und technologisch besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kompensationsschicht entweder eine einzige Ausräumzone und eine Vielzahl von Komplementäraus räumzonen oder eine einzige Komplementärausräumzonen und eine Vielzahl von Ausräumzone auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kompen sationsschicht derart ausgestaltet, dass die darin enthalte nen unvollständig ionisierte Dotierstoffe bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind, wobei deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.

Das Halbleiterbauelement weist typischerweise ein Zellenfeld mit einer Vielzahl von Zellen auf, wobei in jeder Zelle min destens ein 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 höher ist als in den übrigen Bereichen des aktiven Bereiches. Auf diese Weise kann definiert festgelegt werden, in welchem Be reich das Halbleiterbauelement zuerst durchbricht.

Das Halbleiterbauelement weist einen aktiven, zum Stromfluss beitragenden Bereich und einen Randbereich auf, über den bei Anlegen einer Spannung an das Halbleiterbauelement die Feld linien definiert aus dem Halbleiterkörper geführt werden. Da bei nimmt die Dotierungskonzentration der unvollständig ioni sierten Dotierstoffe vom aktiven Bereich des Zellenfeldes zu dessen Randbereich hin ab.

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

Die Erfindung eignet sich insbesondere bei Leistungshalblei terbauelementen wie z. B. MOSFETs - insbesondere Leistungs- MOSFETs. Jedoch sei die Erfindung nicht auf MOSFETs be schränkt, sondern kann im Rahmen der Erfindung auf beliebige Halbleiterbauelemente mit Kompensationsstruktur, beispiels weise J-FETs, IGBTs, Dioden, Thyristoren und dergleichen, er weitert werden.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement eignet sich vor al lem bei Schaltungsanordnungen mit einem modifizierten RCD- Snubber. Der RCD-Snubber weist neben den bekannten Elementen wie Widerstand, Diode und Kondensator zusätzlich eine Zener diode mit hoher Sperrspannung auf. Dieser mit der zusätzliche Zenerdiode modifizierte RCD-Snubber fungiert vorteilhafter weise als Entlastungsnetzwerk, welches erst ab einer bestimm ten Spannungsdifferenz ΔV wirksam wird. Das Entlastungsnetz werk ist bei allen Schaltungsanordnungen anwendbar, bei denen nach dem Abschalten eine lokal Spannungserhöhung ausgeglichen werden muss, also vorteilhafterweise bei einem Schaltnetz teil, einer getakteten Stromversorgung, einem Spannungsregler oder dergleichen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung un ter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.

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

Fig. 1 in einem Teilschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines vertikal ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kom pensationsbauelementes;

Fig. 2 in einem Teilschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines vertikal ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kom pensationsbauelementes;

Fig. 3 in einem Teilschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines vertikal ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kom pensationsbauelementes;

Fig. 4 in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines vertikal ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kom pensationsbauelementes;

Fig. 5 in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines lateral ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kompensati onsbauelementes;

Fig. 6 den Verlauf der Durchbruchspannung in Abhängigkeit von dem Kompensationsgrad für ein Halbleiterbauele ment nach dem Stand der Technik (A) und ein erfin dungsgemäßes Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 (B);

Fig. 7 den Verlauf des Einschaltwiderstand RDSon in Abhän gigkeit vom Kompensationsgrad K,

Fig. 8 den Verlauf des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Tiefe bei einem n-lastig (a) und p-lastig (b) ausgelegten Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1;

Fig. 9 in einem skizzierten Teilschnitt eine n-lastige Auslegung der Kompensationsschicht;

Fig. 10 in einem skizzierten Teilschnitt eine p-lastige Auslegung der Kompensationsschicht;

Fig. 11 das Bändermodell im feldfreien Fall (a) und bei an gelegtem elektrischen Feld (b);

Fig. 12 anhand von Teilschnitten ein erstes Verfahren für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kompensati onsschicht;

Fig. 13 anhand von Teilschnitten ein zweites Verfahren für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kompensati onsschicht;

Fig. 14 anhand von Teilschnitten ein drittes Verfahren für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kompensati onsschicht;

Fig. 15 das Schaltbild für eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Kompensationsbauelementes mit ei nem Entlastungsnetzwerk.

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

Fig. 1 zeigt in einem Teilschnitt einen Ausschnitt eines vertikal ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kompensationsbau elementes, das hier als n-Kanal MOSFET ausgebildet ist.

In Fig. 1 mit 1 ein Halbleiterkörper - beispielsweise eine einkristalline Siliziumscheibe - bezeichnet. Der Halbleiter körper 1 weist eine erste Oberfläche 2, die sogenannte Schei benvorderseite, und eine zweite Oberfläche 3, die sogenannte Scheibenrückseite, auf. Der Halbleiterkörper weist eine an die Oberfläche 3 stark n-dotierte Drainzone 7 auf, die über eine großflächig auf die Oberfläche 3 aufgebrachte Drain- Metallisierung 20 mit dem Drain-Anschluss D verbunden ist. An der der Oberfläche 3 entgegengesetzten Seite schließt sich die Kompensationsschicht 8 des Kompensationsbauelementes an. Die Kompensationsschicht 8, die bei einem Kompensationsbau element die Funktion der Driftstrecke inne hat, weist abwech selnd nebeneinander angeordnete Dotierungsgebiete 4, 5 beider Leitfähigkeitstypen, die die Kompensationsstruktur bilden, auf. Die p-dotierten Gebiete 5 werden nachfolgend auch als Ausräumzonen bezeichnet, während die n-dotierten Gebiete 4 als Komplementärausräumzonen bezeichnet werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kompensations schicht 8 als Epitaxie-Schicht ausgebildet, die durch Ab scheidung von n-dotiertem Silizium auf die Grenzschicht 6 aufgewachsen wird. Die Ausräumzonen 5 können anschließend durch geeignete Verfahren in den Halbleiterkörper 1 einge bracht werden. Es wäre auch denkbar, dass eine p-dotierte oder undotierte Epitaxie-Schicht abgeschieden wird, in die die n-dotierten Gebiete 4 und/oder p-dotierten Gebiete 5 ein gebracht werden.

An der Oberfläche 2 sind mehrere p-dotierte Bodyzonen 13 in die Kompensationsschicht 8 eingebettet. In jeweils eine Body zone 13 sind eine oder mehrere stark n-dotierte Sourcezonen 14 eingebettet. Die Bodyzonen 13 und Sourcezonen 14 können in bekannter Art und Weise durch Ionenimplantation oder Diffusi on in den Halbleiterkörper 1 eingebracht und/oder durch Epi taxie auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht werden. Die Bo dyzonen 13 sind an der Oberfläche 2 voneinander durch eine Zwischenzone 15 beabstandet, die Bestandteil der die Komple mentärausräumzonen 4 sind und somit auch deren Dotierung auf weist. Oberhalb der Zwischenzonen 15 ist jeweils eine Gate- Elektrode 16 vorgesehen, die lateral verlaufend bis zu den Sourcezonen 14 reichen. Die Gate-Elektroden 16 sind gegen die Oberfläche 2 über ein dünnes Gate-Oxid 17 isoliert. Ferner ist eine Source-Metallisierung 18 vorgesehen, die die Source zonen 14 und Bodyzonen 13 über einen Nebenschluss elektrisch kontaktiert und die gegen die Gate-Elektrode 16 über ein Schutz-Oxyd 19 beabstandet ist. An der Vorderseite des Halb leiterkörpers 11 ist die Source-Metallisierung 18 mit einem Source-Anschluss S und die Gate-Elektrode 16 mit einem Gate- Anschluss G verbunden.

Im Layout des Halbleiterkörpers 11 bezeichnen die mit Gate- Elektroden 16 sowie mit Bodyzonen 13 und Sourcezonen 14 be deckten Bereiche das aus einer Vielzahl von Zellen bestehende Zellenfeld ZF des Kompensationsbauelementes. Jeweils eine Zelle beinhaltet einen Einzeltransistor. Die Parallelschal tung der Laststrecken der Vielzahl von Einzeltransistoren er gibt den MOSFET des Kompensationsbauelements. Ein Kompensati onsbauelement weist typischerweise auch einen Randbereich RB auf, der außerhalb des Zellenfeldes ZF angeordnet ist und der im Betrieb des Kompensationsbauelementes einen definierten Verlauf der Feldlinien im Randbereich gewährleisten soll. Im Randbereich RB sind Feldplatten 21 vorgesehen, die ebenfalls über ein Schutz-Oxid 22 gegen den Halbleiterkörper 1 und die Source-Metallisierung 18 isoliert sind.

Die Zellen des Zellenfeldes ZF sowie die Kompensationsstruk turen bilden ein Raster. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Gebiete 4, 5 an die Bodyzonen 13 angeschlossen, wo bei das Raster des Zellenfeldes auf das Raster der Kompensa tionsschicht justiert ist. Denkbar wäre jedoch auch, dass die beiden Raster nicht zueinander justiert sind bzw. die Gebiete 4, 5 nicht an die Strukturen des Zellenfeldes ZF angeschlos sen sind.

Die Ausräumzonen 5 und Komplementärausräumzonen 4 sind in Fig. 1 auf das Raster des Zellenfeldes ZF justiert, jedoch wä re selbstverständlich auch eine nicht zellenfeldjustierte An ordnung dieser Zonen 4, 5 denkbar.

Die Gebiete 4, 5 sind im Beispiel in Fig. 1 lateral strei fenförmig und vertikal säulenförmig ausgebildet, jedoch wäre auch ein anderes Design denkbar.

Die Gate-Elektroden 16 bestehen typischerweise aus Polysili zium, jedoch können sie auch aus einem anderen Material, bei spielsweise aus Metall oder Silicid, bestehen, wenngleich diese Materialien herstellungstechnisch und aufgrund deren physikalischen und elektrischen Eigenschaften nicht so vor teilhaft sind wie hochdotiertes Polysilizium. Gleichsam kann für das Gate-Oxyd 16 und Schutz-Oxyd 19, 22 statt Siliziumdi oxyd (SiO₂) auch jedes andere isolierende Material, bei spielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder auch ein Vakuum Ver wendung finden, jedoch ist thermisch hergestelltes Silizium dioxyd insbesondere bei Verwendung als Gate-Oxyd qualitativ am hochwertigsten und deshalb vorzuziehen. Als Source- Metallisierung 18 und Drain-Metallisierung 20 wird typischer weise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung - wie zum Bei spiel AlSi, AlSiCu, oder dergleichen - verwendet, jedoch könnte hier auch jedes andere hochleitfähige Material, das einen guten Kontakt zu dem Halbleiterkörper gewährleistet, verwendet werden. Als Alu

Erfindungsgemäß ist nun in den p-dotierten Gebieten ein p- dotierender Dotierstoff 30 mit unvollständiger Ionisation eingebracht. Im Beispiel in Fig. 1 wurden die dieses Element enthaltenden Bereiche durch Kreuze 30 dargestellt. Nachfol gend wird davon ausgegangen, dass als p-dotierendes Element 30 mit unvollständiger Ionisation Palladium verwendet wird.

Das Kompensationsbauelement entsprechend Fig. 2 zeichnet sich gegenüber dem in Fig. 1 dadurch aus, dass das p- dotierende 30 über die gesamte Kompensationsschicht verteilt eingebracht ist, also sowohl in den p-dotierten Bereichen 5 als auch in den n-dotierten Bereichen 4. Das Kompensations bauelement entsprechend Fig. 3 zeichnet sich gegenüber dem in Fig. 1 dadurch aus, dass anstelle von Palladium 30 in den p-dotierten Gebieten Selen 31 (Kreise) in den n-dotierten Ge bieten eingebracht wurde. Ferner wäre auch hier denkbar, Se len über die gesamte Kompensationsschicht 8 zu verteilen.

Fig. 4 zeigt in einem Teilschnitt ein viertes Ausführungs beispiel eines vertikal ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kom pensationsbauelementes. Das Halbleiterbauelement in Fig. 4 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Halblei terbauelement insbesondere in dem Aufbau der Kompensations schicht 8. Hier sind die Ausräumzonen 5 und Komplementäraus räumzonen 4 der Kompensationsschicht 8 nicht an die rücksei tige Drainzone 7 angeschlossen, dass heißt zwischen den Zonen 4, 5 ist noch eine schwach n-dotierte Driftzone 10 angeord net. Die Zonen 4, 5 sind somit in der Kompensationsschicht 8 mehr oder weniger floatend ausgebildet. Das in Fig. 4 darge stellt Halbleiterbauelement bildet in Hinblick auf die Aus gestaltung der Kompensationsschicht 8 insbesondere aus tech nologischen Gründen die vorteilhafteste Ausführung, die somit bei einer technischen Realisierung eines Kompensationshalb leiterbauelementes gegenüber den in den Fig. 1-3 darge stellten Ausführungsbeispielen, bei denen die Kompensations schicht 8 an die Drainzone 7 direkt angeschlossen ist, vorzu ziehen ist.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Ausschnitt eines lateral ausgebildeten, erfindungsgemäßen Kompensations bauelementes. Fig. 5 unterscheidet sich von dem Ausführungs beispiel in Fig. 2 dadurch, dass die Strukturen der Kompen sationsschicht lateral angeordnet sind, das heißt die Drain- und die Sourceelektrode D, S befinden sich an derselben Ober fläche 2 des Halbleiterkörpers 1, wodurch es zu einem ober flächennahen, im wesentlichen lateralen Stromfluss kommt. Die unvollständig ionisierten Dotierstoffe 30 sind hier über die gesamte Kompensationsschicht verteilt (Kreuze), dass heißt sowohl in den n-dotierten Gebieten 4 als auch in den p- dotierten Gebieten 5. Auf die Darstellung der an den Oberflä che 2 angeordneten Elektroden und Passivierungschichten wur den aus Gründen der besseren Übersicht verzichtet.

Der erfindungsgemäße, zeitverzögerte Aktivierungsmechanismus der in der Kompensationsschicht 8 angeordneten, unvollständig ionisierten Elemente funktioniert wie folgt:
Im feldfreien Fall und bei einer gegebenen Temperatur - bei spielsweise bei Raumtemperatur - sind praktisch alle "normal" dotierenden Dotierstoffe (Phosphor), jedoch nur ein Teil der Elemente mit unvollständiger Ionisation (Se) ionisiert (siehe Fig. 11(a)). Der Ionisationsgrad der unvollständig ionisier ten Elemente, der den Anteil der ionisierten und damit e lektrisch aktiven Ladungsträger gegenüber der Gesamtheit der in den Halbleiterkörper eingebrachten Ladungsträger defi niert, ist hier kleiner als 100%. Bei Anlegen einer Spannung an das Halbleiterbauelement baut sich eine Raumladungszone auf, die sich von der Source-Zone mit zunehmender Spannung in das Innere des Halbleiterkörpers hinein erstreckt. Sobald die Raumladungszone die Bereiche der Kompensationsschicht er reicht, werden die freien Ladungsträger der nicht vollständig ionisierten Dotieratome wie auch sämtliche Ladungsträger der Hintergrunddotierung abgesaugt. Innerhalb der Raumladungszone findet daher keine Rekombination der freien Ladungsträgern mit ihren ionisierten Atomrümpfen mehr statt.

Die in diesem Zustand (noch) nicht ionisierten Atome der un vollständig ionisierten Elemente tragen zunächst nicht zur gesamten Raumladung bei. Aufgrund der temperaturabhängigen Generation von Ladungsträgern werden jedoch weitere freie La dungsträger aus den unvollständig ionisierten Elementen gene riert (siehe Fig. 11(b)), die dann sofort von der Raumla dungszone abgesaugt werden. Die verbleibenden Atomrümpfe wer den somit zur gesamten Raumladung beitragen. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis sämtliche Atome der unvollstän dig ionisierten Elemente ionisiert sind. Der Ionisationsgrad beträgt dann 100%. Durch die so steigende gesamte Raumladung steigt auch die Raumladungsdichte als Funktion der Zeit an. Damit ändert sich die Feldverteilung und somit auch die Durchbruchspannung als Funktion der Zeit. Damit wird bei ei nem geeigneten Dimensionierung die Durchbruchspannung durch die mit der Zeit nachgelieferten Ladungen immer größer.

Ein besonders vorteilhafter Nebeneffekt ergibt sich dadurch, dass der Ionisationsgrad der Dotierelemente mit unvollständi ger Ionisation auch mit steigender Temperatur ansteigt. Wird beispielsweise ein bestimmter Bereich des Halbleiterbauele mentes durch einen Durchbruch stark belastet, so steigt dort lokal der Durchbruchstrom und somit die Temperatur. Aufgrund der zusätzlichen thermischen Belastung steigt jedoch der Io nisationsgrad der Elemente mit unvollständiger Ionisation im "heißen" Bereich schneller als in den "kälteren", durch den Durchbruch weniger belasteten Bereichen des Halbleiterbauele mentes an. Im heißeren Bereich des Halbleiterbauelementes er gibt sich damit im Vergleich zu den kälteren Bereichen des Halbleiterbauelementes eine höhere Durchbruchspannung. Es er gibt sich somit im Hinblick auf die Durchbruchspannung ein Regelkreis mit negativer Rückkoppelung, d. h. das Halbleiter bauelement weist eine Selbststabilisierung des Durchbruchver haltens auf.

Die Darstellung des Kompensationsgrades in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung, die nachfolgend auch als Kompensati onsparabel bezeichnet wird, ist beispielsweise in der ein gangs genannten DE 198 40 032 C1 ausführlich beschrieben. Der Kompensationsgrad K wird bei einem n-Kanal-MOSFET wie folgt definiert:

wobei mit Np und Nn die Gesamtanzahl der (elektrisch aktiven, ionisierten) Ladungsträger im p-dotierten bzw. n-dotierten Gebiet bezeichnet ist. Der Kompensationsgrad bezieht sich da bei im Sinne einer lokalen Definition auf (typischerweise in fitesimal) dünne Schichten parallel zur Oberfläche 3.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der Durchbruchspannung VDS in Ab hängigkeit von dem Kompensationsgrad K für ein Kompensations bauelement nach dem Stand der Technik (A) und ein erfindungs gemäßen n-Kanal MOSFET gemäß Fig. 1 (B). Dabei ist auf der Ordinate die Durchbruchspannung VDS in Volt angegeben, wäh rend die Abszisse den Kompensationsgrad K in Prozent dar stellt. Niedrige K-Werte bezeichnen eine p-lastige und hohe K-Werte eine eher n-lastige Ausgestaltung der Kompensations schicht.

Es zeigt sich, dass bei einem Halbleiterbauelement gemäß dem Stand der Technik bei gleicher Gesamtkonzentration der Do tierstoffe in der Kompensationsschicht die Kompensationspara bel eher flacher ausgebildet, d. h. die Differenz der Durch bruchspannung an deren Rändern und dem Maximum ist hier sehr gering. Demgegenüber ist die Kompensationsparabel bei einem erfindungsgemäßen Kompensationsbauelement bei gleichen Dotie rungskonzentrationen, jedoch mit einem unvollständig ioni sierten Dotierstoffen steiler ausgebildet.

Bei Halbleiterbauelementen nach dem Stand der Technik wird diese Parabel zur statischen Einstellung des Arbeitspunktes verwendet, beispielsweise über die Dotierungskonzentrationen der jeweiligen Gebiete. Bei Kompensationsbauelemente nach dem Stand der Technik werden die Dotierungskonzentrationen der Gebiete in der Kompensationsschicht derart gewählt, dass sich ein Arbeitspunkt auf der Kompensationsparabel möglichst nahe am Maximum ergibt.

Da der Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Kompensationsbau elementes, im Gegensatz zu Kompensationsbauelementen nach dem Stand der Technik, nicht fest auf der Kompensationsparabel vorgegeben ist, sondern bei anliegender Raumladungszone mit der Zeit zunimmt, ändert sich auch der Arbeitspunkt auf der Kompensationsparabel hin zu höheren Durchbruchspannungen VDS. Auf diese Weise lässt sich mithin ein Kompensationsbauelement bereitstellen, welches ein sich dynamisch verändernden Ar beitspunkt der Durchbruchspannung aufweist.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann beispielsweise stark n-lastig ausgebildet sein, wobei der Arbeitspunkt im Normalbetrieb - unter Einbeziehung der Fertigungsstreuungen - auf der Kompensationsparabel oberhalb einer ersten spezifi zierten Durchbruchspannung VDS1 liegt. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Kompensationsbauelement so ausgelegt, dass bei vollständiger Ionisation das Maximum VDSmax der Kompensa tionsparabel - unter Einbeziehung der Fertigungstoleranz - definiert größer als eine zweite, höhere spezifizierte Durch bruchspannung VDS2 ist. In diesem Falle ist das erfindungsge mäße Kompensationsbauelement auch für den eingangs genannten, eher selten vorkommenden Fall ausgelegt, bei dem zeitverzö gert eine deutlich höhere Durchbruchspannung aufgefangen wer den muss.

Fig. 7 zeigt den Verlauf des Einschaltwiderstandes RDSon bei einem n-Kanal MOSFET in Abhängigkeit vom Kompensationsgrad K, wobei der linke Bereich der Kurve eine eher p-lastige und der rechte Bereich eine eher n-lastige Auslegung der Kompensati onsschicht darstellt. Fig. 7 zeigt, dass bei einem n-Kanal- MOSFET die niedrigsten Einschaltwiderstände RDSmin durch eine möglichst n-lastige Auslegung der Kompensationsschicht er zielbar sind, wohingegen eine p-lastige Auslegung der Kompen sationsschicht eher ungünstig ist, da das Halbleiterbauele ment dadurch einen zunehmend größeren Einschaltwiderstand RDSon aufweist. Ein p-Kanal MOSFET wäre in diesem Sinne mög lichst p-lastig auszubilden.

Die Grenzen einer n-Lastigkeit der Kompensationsschicht sind erreicht, wenn in den p-dotierten Gebieten 5 ausschließlich Elemente mit unvollständiger Ionisation und keinerlei Dotier elemente, die bei Betriebstemperatur vollständig ionisiert sind, enthalten sind. Umgekehrt würden bei einer maximalen p- Lastigkeit die n-dotierten Gebiete ausschließlich durch n- dotierende Elemente mit unvollständiger Ionisation gebildet werden.

Fig. 8 zeigt den Verlauf des elektrischen Feldes E als Funk tion der Tiefe x für ein Halbleiterbauelement gemäß Fig. 2. Dabei bezeichnet die Kurve P[t1] den Verlauf des elektrischen Feldes E zum Zeitpunkt t1, bei dem die Raumladungszone voll ausgedehnt, die unvollständig ionisierten Elemente jedoch noch unvollständig ionisiert sind, während die Kurve Q[t2] den Verlauf des elektrischen Feldes E zu einem späteren Zeit punkt (t2 < t1) bei vollständig ausgedehnter Raumladungszone und auch bei vollständig Ionisation der Elemente mit unvoll ständiger Ionisation darstellt. Es zeigt sich, dass der Ver lauf des elektrischen Feldes E nicht statisch ist, sondern sich zeitabhängig verändert.

In Fig. 8 bezeichnet die Teilfigur (a) eine n-lastig Ausle gung und Teilfigur (b) eine p-lastige Auslegung. Bei einer n- lastigen Auslegung ist das Feldmaximum Emax1 zunächst auf der Seite der Scheibenvorderseite, während bei einer p-lastigen Auslegung das Maximum des elektrischen Feldes Emax1 sich zu nächst sich in der Tiefe des Halbleiterkörpers befindet. Im ersteren Falle bewegt sich das Feldmaximum Emax2 bei angeleg tem elektrischen Feld in die Tiefe x des Halbleiterkörpers hinein, während es sich im zweiteren Falle aus dem Halblei terkörper herausbewegt. Die p-lastige Auslegung ist gegenüber der n-lastigen Auslegung vorteilhafter, da das Halbleiterbau element dadurch avalangefester wird. Das Bauelement wird da durch robuster.

Die Fig. 9 und 10 zeigen in einem skizzierten Teilschnitt jeweils eine Ausgestaltung einer n-lastigen Auslegung der Kompensationsschicht (Fig. 9) und einer p-lastigen Auslegung der Kompensationsschicht (Fig. 10). Bei der n-lastigen Aus legung befinden sich die Palladium-Atome im wesentlichen im unteren Bereich der Kompensationsschicht (Fig. 9) und weist dort eine homogene Dotierung auf, während bei einer p- lastigen Auslegung sich die Selen-Atome im wesentlichen im oberen Bereich der Kompensationsschicht (Fig. 10) befinden und dort ebenfalls eine homogene Dotierung aufweisen. Das Bauelement ist dabei entweder n-lastig oder p-lastig ausge bildet. Es wäre auch denkbar, dass das Selen bzw. Palladium nicht homogen dotiert ist, sondern eine mehr oder weniger stufenweise oder sukzessive ins Innere der Kompensations schicht abnehmende Dotierung aufweist.

Im Falle einer n-lastigen Auslegung (Fig. 8(a)) befindet sich zu Beginn t1 das Feldmaximum Emax1 an der Oberfläche x2 der Kompensationsschicht, wobei es sich im Falle einer n- lastigen oder p-lastigen Kompensationsschicht auch in der Tiefe des Halbleiterkörpers befinden kann. In beiden Berei chen ist das Halbleiterbauelement äußerst robust. Der soge nannte Kirkeffekt, der die Beeinflussung der Feldverteilung durch die mit dem Strom verbundenen Ladungsträger bezeichnet, wird dadurch massiv unterdrückt. Mit beginnender zusätzlicher Ionisierung der Elemente mit unvollständiger Ionisation wird der Feldverlauf zunehmend flacher, um einen zeitbedingten An stieg der Durchbruchspannung zu erreichen. Das Feldmaximum Emax2 verschiebt sich in die Tiefe des Halbleiterkörpers. Nach einer vorgegebenen Zeitspanne, die sich von dem Abstand des Energieniveaus von der jeweiligen Bandkante, von dem Io nisierungsgrad und der Temperatur bestimmt, wird die maximale Durchbruchspannung erreicht. Diese Zeitspanne liegt je nach Element typischerweise im Bereich zwischen 500 nsec bis 5 µsec.

Bei der p-lastigen Auslegung (Fig. 8(b)) ist genau umge kehrt.

Die sich zeitlich ändernde Feldverteilung ist besonders vor teilhaft für die Stabilität des Halbleiterbauelementes gegen über Oszillationen, die insbesondere bei solchen Halbleiter bauelementen mit einem flachen Gradienten des elektrischen Feldes im Bereich des Feldmaximums auftreten. Derartige Os zillationen werden auch als TRAPATT Oszillationen bezeichnet, die insbesondere bei Kompensationsbauelementen besonders stö rend sind. Die Erfindung ist somit allein schon aus dem die sem Grunde, nämlich der Vermeidung von TRAPATT Oszillationen, von Vorteil.

Zur Herstellung der Kompensationsschicht wird vorzugsweise die Aufbautechnik angewendet, bei der die n-dotierten und p- dotierten Gebiete 4, 5 durch abwechselndes Abscheiden von n- dotiertem Silizium und nachfolgender maskierter Dotierung, beispielsweise durch Ionenimplantation oder Diffusion, er zeugt werden. Durch Vorsehen mehrerer dieser Abscheide- und Dotierschritte lässt sich eine gewünschte Dicke abhängig von der gewünschten Spannungsfestigkeit bzw. Stromtragefähigkeit des Kompensationsbauelementes bereitstellen.

Alternativ kann für den Fall, dass die Kompensationsschicht eine dotierte Grundbelegung aufweist, durch eine maskierte Fächerimplantation bei gestaffelten Energien und/oder Implan tationsdosen eine gewünschte säulenartige Struktur erzeugt werden. Mittels Hochenergie-Implantation können bei Implanta tionsenergien von bis zu 20 MeV je nach Dotierelement Implan tationstiefen bis über 50 µm erzielt werden. Eine weitere Me thode bietet das elektrolytische Ätzen von Röhren in die Kom pensationsschicht. Dieses Verfahren zur Herstellung der Kom pensationsschicht ist beispielsweise in der EP 0 621 355 A2 beschrieben.

Für das Einbringen der Elemente mit unvollständiger Ionisati on in die Kompensationsschicht können zwei grundsätzlich un terschiedliche Verfahren verwendet werden. Dabei soll ledig lich das Prinzip dargestellt werden, die einzelnen detail lierten Prozessschritte zur Herstellung der einzelnen Struk turen, die dem Fachmann wohl bekannt sind, werden nicht extra erläutert:

Erstes Verfahren (Fig. 12)

Bei der Dotierung der p- oder der n-Gebiete 4, 5 werden die Elemente mit unvollständiger Ionisation unter Verwendung der selben Dotiermaske eingebracht. Gemäß Fig. 12 weist die Kom pensationsschicht 8 eine n-Grunddotierung auf (a). Nach Auf bringen einer Implantationsmaske werden unter Verwendung der selben Implantationsmaske mittels Diffusion oder Implantation zunächst die p-dotierten Gebiete 5 der Kompensationsschicht 8 erzeugt (b). Anschließend wird unter Verwendung derselben Im plantationsmaske 32 Palladium 31 in die p-dotierten Gebiete 5 eingebracht (c).

Auf diese Weise kann auf einen Maskierungsschritt verzichtet werden. Allerdings wird aufgrund des sehr hohen Diffusionsko effizienten Palladium in sehr starkem Maße in die benachbar ten n-dotierten Gebiete eindiffundieren. Das aus dem p- dotierten Gebiet ausdiffundierende Palladium muss daher im p- und n-dotierten Gebiet vorgehalten werden. Dieses Verfahren ist somit schwierig zu kontrollieren.

Zweites Verfahren (Fig. 13)

Gemäß Fig. 13 weist die Kompensationsschicht 8 eine n- Grunddotierung auf (a). Nach Aufbringen einer Implantations maske 32 werden mittels Diffusion oder Implantation zunächst die p-dotierten Gebiete 5 der Kompensationsschicht 8 erzeugt (b). Nach Ablösen der Implantationsmaske 32 wird Palladium großflächig in die gesamte Kompensationsschicht 8 einge bracht, wobei sich das Material aufgrund des hohen Diffusi onskoeffizienten lateral und über die gesamte Tiefe der Kom pensationsschicht gleichmäßig verteilt. Denkbar wäre jedoch auch, das Palladium bereits in die Grunddotierung der Kompen sationsschicht 8, beispielsweise während der Epitaxie, einzu bringen.

Der besondere Vorteil dieses zweiten Verfahrens besteht dar in, dass eine Verschiebung der Konzentrationsverhältnisse durch Diffusion von Palladium hier nicht besteht. Es muss le diglich sichergestellt werden, dass die Dotierungskonzentra tion in den n-dotierten Gebieten derart vorgehalten wird, dass die Dotierungskonzentration des p-dotierenden Palladiums dort ausgeglichen wird.

Drittes Verfahren (Fig. 14)

Das in Fig. 14 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in Fig. 13 dadurch, dass Selen lediglich im oberen Be reich 8a der Kompensationsschicht 8, der an die Oberfläche angrenzt, implantiert und eindiffundiert wird. Es wird da durch ein p-lastiges Halbleiterbauelement bereitgestellt (siehe Fig. 10). Im Falle einer n-lastigen Auslegung müsste Palladium in die Tiefe der Kompensationsschicht 8 implantiert und diffundiert werden (siehe Fig. 10). Dieser untere Teil 8b grenzt dann an die Drainzone 7 an.

Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf die Ausführungs beispiele gemäß der Fig. 1 bis 5 bzw. die Verfahren gemäß der Fig. 12 bis 14 beschränkt. Vielmehr können dort bei spielsweise durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p und durch Variation der Dotierungskonzentration eine Viel zahl neuer Bauelementvarianten angegeben werden. 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.

Fig. 15 zeigt das Schaltbild für eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Kompensationsbauelementes mit einem Entlastungsnetzwerk.

In Fig. 15 ist mit 40 das erfindungsgemäße Kompensationsbau element bezeichnet. Das Kompensationsbauelement 40 ist mit seiner Drain-Source-Laststrecke zwischen einem ersten An schluss 41 mit einem ersten Versorgungspotential Vdd - bei spielsweise einem gleichgerichteten, positiven Potential - und einem zweiten Anschluss 42 mit einem zweiten Versorgungs potential GND - beispielsweise dem Potential der Bezugsmasse angeordnet. Ferner ist ein Transformator 43 vorgesehen, des sen primärseitige Wicklung 44 in Reihe zur Laststrecke des Kompensationsbauelement 40 und zwischen den Anschlüssen 41, 42 geschaltet ist.

Die Schaltung weist ferner einen sogenannten "RCD-Snubber" auf. Der RCD-Snubber besteht in bekannter Art und Weise aus einer Diode 45, die anodenseitig mit dem Mittelabgriff 46 zwischen dem Kompensationsbauelement 40 und der primärseitige Wicklung 44 verbunden ist. Die Diode 45 ist kathodenseitig in Reihe zu einer Parallelschaltung eines Widerstandes 47 und eines Kondensators 48 geschaltet. Im Unterschied zu bekannten RCD-Snubber-Schaltungen weist die in Fig. 12 dargestellte Schaltung einen zusätzliche Zenerdiode 49 auf, die zwischen dem Anschluss 41 und dem Widerstand 47 angeordnet ist.

Die in Fig. 12 dargestellte Schaltung kann beispielsweise Bestandteil einer getakteten Stromversorgung, eines Span nungsreglers, einer Spannungsversorgung, eines Schaltnetztei les oder dergleichen sein. Bei solchen kann es beim Ausschal ten des Versorgungspotentials Vdd - beispielsweise 300 Volt - dazu kommen, dass sich je nach Übersetzungsverhältnis des Transformators 43 ein Rückschlagpotential Vz am Mittelabgriff 46 aufbaut, welches deutlich größer ist, als das Versorgungs potential Vdd - beispielsweise 420 Volt. Die Diode 45 wird in diesem Fall aufgrund der Spannungsdifferenz ΔV = Vz - Vdd zwischen Versorgungspotential Vdd und Rückschlagpotential Vz durchgeschaltet. Der Kondensator 48, der einer sehr große Ka pazität aufweisen sollte, dient dabei als massiver Energie speicher für einen Störfall. Die neu hinzugekommene Zenerdio de 49 sollte in ihrer Spannungsfestigkeit so ausgelegt wer den, dass der RCD-Snubber auch bei einer sehr großen Span nungsdifferenz ΔV nicht durchbricht. Im vorliegenden Bei spiel könnte eine auf 150 V ausgelegte Zenerdiode 49 verwendet werden. Statt der Zenerdiode wäre auch jedes andere span nungsbegrenzende Element einsetzbar.

Der mit der zusätzliche Zenerdiode 49 modifizierte RCD- Snubber entsprechend Fig. 15 fungiert also als Entlastungs netzwerk, welches erst ab einer bestimmten Spannungsdifferenz ΔV wirksam wird.

Für Schaltungsanordnungen, die sehr große Streuenergien be dingt durch Streuinduktivitäten aufnehmen müssen, ist der Einsatz besonders ausgestalteter RCD-Snubber von besonderem Vorteil. Diese RCD-Snubber müssen derart ausgestaltet sein, dass deren Einsatzspannung deutlich oberhalb der für den Normalbetrieb ausgelegten Sperrspannung und oberhalb der ma ximalen Durchbruchspannung des Transistors mit unvollständi ger Ionisation, jedoch unterhalb der maximal erreichbaren Durchbruchspannung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemen tes gewählt wird. Ein solcher RCD-Snubber nimmt im Normalbe trieb kaum Energie auf und verschlechtert daher den Wirkungs grad der Schaltungstopologie auch nicht nennenswert. Dank der "Spannungsreserve" der Durchbruchspannung wird der RCD- Snubber im Störfall, d. h. bei einer kurzfristigen überhöhten Durchbruchspannung, vorteilhafterweise aktiviert und entlas tet so das eigentliche Halbleiterbauelement.

Auf diese Weise wird mithin ein Zeit- und spannungsgesteuer tes Entlastungselement für ein Halbleiterbauelement bereitge stellt. Der Vorteil des daraus resultierenden Halbleiterbau elementes besteht darin, dass es aufgrund seiner niedrigen Durchbruchspannung im Normalbetrieb sicher verhindert, dass der RCD-Snubber unerwünschterweise Energie aufnimmt und die dadurch bedingte Verlustleistung eine Reduzierung des Wir kungsgrades zur Folge hätte.

Neben der genannten Schaltungsanwendung ließen sich selbst verständlich eine Vielzahl weiterer Anwendungen für das er findungsgemäße Kompensationsbauelement finden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das Einbringen eines Elementes mit unvollständiger Ionisation in die Kompen sationsschicht und damit den Driftbereich eines Kompensati onsbauelementes in völliger Abkehr von bekannten Kompensati onsbauelementes auf sehr einfache, jedoch nichts desto trotz sehr effektive Weise eine Zeitabhängigkeit der Durchbruch spannung eines solchen Kompensationsbauelementes erzielen lässt. Auf diese Weise lässt sich das Kompensationsbauelement hinsichtlich unterschiedlicher Durchbruchspannungen optimie ren.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Be schreibung so dargelegt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglich zu erklären. Selbst verständlich lässt sich die vorliegende Erfindung im Rahmen des fachmännischen Handels und Wissens in geeigneter Weise in mannigfaltigen Ausführungsformen und Abwandlungen realisie ren.

Bezugszeichenliste

1

Halbleiterkörper

2

erste Oberfläche, Scheibenvorderseite

3

zweite Oberfläche, Scheibenrückseite

4

n-dotiertes Gebiet, Komplementärausräumzone

5

p-dotiertes Gebiet, Ausräumzone

6

Grenzschicht

7

Drainzone

8

Kompensationsschicht

8

a oberer Bereich der Kompensationsschicht

8

b unterer Bereich der Kompensationsschicht

10

Driftzone

13

Bodyzone

14

Sourcezone

15

Zwischenzone

16

Gateelektrode

17

Dielektrikum, Gateoxid

18

Sourceelektrode, Source-Metallisierung

19

Schutzoxid

20

Drainelektrode, Drain-Metallisierung

21

Feldplatte

22

Schutzoxid

30

p-dotierender Dotierstoff mit unvollständiger Io nisation

31

n-dotierender Dotierstoff mit unvollständiger Io nisation

32

Implantationsmaske

40

Kompensationsbauelement

41

ersten Anschluss

42

zweiten Anschluss

43

Transformator

44

primärseitige Wicklung

45

Diode

46

Mittelabgriff

47

Widerstandes

48

Kondensators

49

Zenerdiode
D Drain-Anschluss
E Elektrisches Feld
G Gate-Anschluss
GND zweiten Versorgungspotential, Potential der Be zugsmasse
K Kampensationsgrad
RB Randbereich
RDSon Einschaltwiderstand
S Source-Anschluss
Vdd ersten Versorgungspotential
VDS Durchbruchspannung
VDS1, VDS2 Durchbruchspannung
Vz Rückschlagpotential
ZF Zellenfeld

Claims

1. Halbleiterbauelement nach dem Prinzip der Ladungsträger kompensation derart ausgestaltet, dass dessen Durchbruchspannung bei konstanter Temperatur als Funktion der Zeit zunimmt.

2. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1) mit mindestens einer im Halbleiterkörper (1) angeordneten Kompensationsschicht (8),
die mindestens eine Ausräumzone (5) des ersten Leistungs typs und mindestens eine Komplementärausräumzone (4) des zweiten, entgegengesetzten Leistungstyps auf weist,
wobei die mindestens eine Ausräumzone (5) und die mindes tens eine Komplementärausräumzone (4) abwechselnd ne beneinander in der Kompensationsschicht (8) angeord net sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Kompensationsschicht (8) unvollständig ionisierte Dotierstoffe (30, 31) des ersten oder des zweiten Leistungs typs vorgesehen sind.

3. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1) mit mindestens einer im Halbleiterkörper (1) angeordneten Kompensationsschicht (8),
die mindestens eine Ausräumzone (5) des ersten Leistungs typs und mindestens eine Komplementärausräumzone (4) des zweiten, entgegengesetzten Leistungstyps auf weist,
wobei die mindestens eine Ausräumzone (5) und die mindes tens eine Komplementärausräumzone (4) abwechselnd ne beneinander in der Kompensationsschicht (8) angeord net sind,
mit mindestens einer in der Kompensationsschicht (8) einge betteten Bodyzone (13) des zweiten Leistungstyps,
mit mindestens einer in der Bodyzone (13) eingebetteten Sour cezone (14) des ersten Leistungstyps,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Kompensationsschicht (8) unvollständig ionisierte Dotierstoffe (30, 31) des ersten oder des zweiten Leistungs typs vorgesehen sind.

4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe (30, 31) wei testgehend gleichmäßig innerhalb der Kompensationsschicht (8) verteilt sind.

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprü che 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die unvollständig ionisierten Dotierstoffe (30) vom ers ten Leistungstyp sind und mehrheitlich in den Ausräumzonen (5) verteilt sind.

6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprü che 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die unvollständig ionisierte Dotierstoffe (31) vom zwei ten Leistungstyp sind und mehrheitlich in den Komplementär ausräumzonen (4) verteilt sind.

7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausräumzonen (5) oder die Komplementärausräumzonen (4) ausschließlich unvollständig ionisierte Dotierstoffe (30, 31) aufweisen.

8. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprü che 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente mit unvollständiger Ionisation (30, 31) in der Kompensationsschicht (8) eine Dotierungskonzentration im Bereich von 20 bis 100%, insbesondere größer 50%, der Do tierungskonzentration gleichen Leitungstyps in der jeweiligen Zone (4, 5) aufweist.

9. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als unvollständig ionisierter Dotierstoff (30) Palladium vorgesehen ist.

10. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprü che 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass als unvollständig ionisierter Dotierstoff (31) Selen vorgesehen ist.

11. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drainzone (7) vorgesehen ist, an die die Kompensa tionsschicht (8) großflächig angrenzt.

12. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Driftzone (10) des ersten Leistungstyps vorgesehen ist, die zwischen der Kompensationsschicht (8) und der Drain zone (7) angeordnet ist und an diese Zonen (7, 8) angrenzt, wobei die Driftzone eine geringere Dotierungskonzentration als die Komplementärausräumzonen der Kompensationsschicht (8) aufweist.

13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 11-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainzone Ladungsträger des ersten Leitungstyps auf weist und das Halbleiterbauelement als MOSFET - insbesondere als Leistungs-MOSFET - ausgebildet ist.

14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 11-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainzone Ladungsträger des zweiten Leitungstyps aufweist und das Halbleiterbauelement als IGBT ausgebildet.

15. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kompensationsschicht (8) eine einzige Ausräumzone (5) und eine Vielzahl von Komplementärausräumzonen (4) oder eine einzige Komplementärausräumzonen (4) und eine Vielzahl von Ausräumzone (5) vorgesehen sind.

16. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unvollständig ionisierte Dotierstoffe (30, 31) in der Kompensationsschicht (8) bei Raumtemperatur nur zum Teil ionisiert sind, wobei deren Ionisationsgrad mit steigender Temperatur zunimmt.

17. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement aus einer Vielzahl in Zellen eines Zellenfeldes (ZF) angeordneter Einzeltransistoren, die über ihre Laststrecken parallel geschaltet sind, die über ei ne gemeinsame Ansteuerung (G) steuerbar sind und die somit einen aktiven Bereich definieren, wobei im Zellenfeld (ZF) ein erster Bereich vorhanden ist, in dem die Dotierungskon zentration der unvollständig ionisierten Elemente (30, 31) hö her ist als in den übrigen Bereichen des Zellenfeldes (ZF).

18. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement einen aktiven, zum Stromfluss beitragenden Bereich (ZF) und einen Randbereich (RB) auf weist, über den bei Anlegen einer Spannung an das Halbleiter bauelement die Feldlinien definiert aus dem Halbleiterkörper (1) geführt werden, wobei die Dotierungskonzentration der un vollständig ionisierten Dotierstoffe (30, 31) vom aktiven Be reich (ZF) zu dessen Randbereich (RB) hin abnimmt.

19. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorste henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) aus kristallinen Silizium oder Siliziumkarbid besteht.

20. Schaltungsanordnung
mit einem Halbleiterbauelement (40) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
mit einem RCD-Snubber, der ein Widerstandselement (47) und ein dazu parallel angeordnetes kapazitives Element (48) aufweist, der in Reihe zu dieser Parallelschaltung aus Widerstandselement (47) und kapazitives Element (48) eine Diode (45) aufweist,
mit einer zusätzlichen Zenerdiode (49) aufweist.

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zenerdiode (49) in Reihe zum Widerstandelement (47) und parallel zu dem kapazitiven Element (48) angeordnet ist.

22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Transformator (43) auf weist, dessen primärseitige Wicklung (44) in Reihe zu dem Halbleiterbauelement (40) und zwischen den Anschlüssen (41, 42) einer Versorgungsspannung (Vdd) angeordnet ist, wobei der RCD-Snubber mit der zusätzlichen Zenerdiode (49) am Mittelab griff (46) zwischen Halbleiterbauelement (40) und primärsei tige Wicklung (44) und einem Anschluss (41) der Versorgungs spannung (Vdd) geschaltet ist.

23. Verfahren zur Dotierung einer Kompensationsschicht (8) für ein Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem die unvollständig ionisierten Dotierstoffe(30, 31) großflächig in die Kompensationsschicht (8) eingebracht wer den.

24. Verfahren zur Dotierung einer Kompensationsschicht (8) für ein Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem die unvollständig ionisierten Dotierstoffe (30,31) des einen Leitungstyps in diejenigen dotierten Gebiete der Kompensationsschicht (8) eingebracht werden, die den selben Leitungstyp aufweisen.