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Die
vorliegende Beschreibung betrifft Ausführungsformen von
Halbleiterbauelementen und insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente
mit verbesserten Lawinendurchbrucheigenschaften. Weitere Ausführungsformen
betreffen ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements
und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements.
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Die
Verbesserung der Zuverlässigkeit und Robustheit von Halbleiterbauelementen
ist ein andauerndes Ziel bei der Entwicklung eines Halbleiterbauelements
und insbesondere von Leistungshalbleiterbauelementen. Um sicherzustellen,
dass Bauelemente, die an Kunden abgeliefert wurden, die Anforderungen
erfüllen, werden die Halbleiterbauelemente vor der Ablieferung
extensiven Zuverlässigkeitsprüfungen unterzogen.
Zum Beispiel beeinflussen die Eigenschaften des Halbleiterbauelements während
eines Lawinendurchbruchs die Zuverlässigkeit und sind deshalb
Gegenstand von Weiterentwicklungen. Transiente Lawinendurchbrüche
treten in hohe Anforderung stellenden Anwendungen häufig auf
und können ein Bauelement nutzlos machen.
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Zwei
Hauptbauelementekonzepte mit verschiedenen Lawineneigenschaften
werden allgemein verwendet – das Feldelektrodenkonzept
und das Dichtgrabenkonzept (engl.: dense trench concept). Bei Halbleiterbauelementen
des Feldelektrodenkonzepts findet der Lawinendurchbruch in der Nähe
des Kontaktanschlusses zur Kontaktierung der Bodyregion statt. Im
Unterschied dazu ist der Ort des Durchbruchs bei gemäß dem
Dichtgrabenkonzept gebildeten Halbleiterbauelementen in der Nähe
der Böden der Gräben angeordnet. Während
Halbleiterbauelemente des Dichtgrabenkonzepts im Vergleich mit Standardbauelementen
des Feldelektrodenkonzepts verbesserte Eigenschaften in Bezug auf
den Widerstand (Durchlasswiderstand) im Ein-Zustand aufweisen, sind
Dichtgrabenbauelemente anfälliger für Lawinendurchbrüche.
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Halbleiterbauelemente
mit in einem Graben angeordneter Feldelektrode sind beispielsweise
aus
DE 10 2005
041 358 A1 bekannt.
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Gemäß einer
Ausführungsform wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt.
Das Halbleiterbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat, das mindestens
einen in dem Halbleitersubstrat angeordneten pn-Übergang
aufweist. Mindestens neben einem Teil des pn-Übergangs
ist mindestens eine Feldelektrode angeordnet, wobei die Feldelektrode
von dem Halbleitersubstrat isoliert ist. Ein Schaltelement ist elektrisch
mit der Feldelektrode verbunden und dafür ausgelegt, selektiv
und dynamisch ein erstes elektrisches Potential oder ein von dem
ersten elektrischen Potential verschiedenes zweites elektrisches
Potential an die Feldelektrode anzulegen, um die Lawinendurchbrucheigenschaften
des pn-Übergangs zu verändern.
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Während
des Betriebs kann das Halbleiterbauelement durch selektives Umschalten
zwischen zwei verschiedenen an die Feldelektrode angelegten elektrischen
Potentialen in verschiedene Betriebsarten gebracht werden. Dies
beeinflusst den Ort eines möglichen Lawinendurchbruchs,
so dass das Durchbruchsverhalten des Halbleiterbauelements umgeschaltet
werden kann.
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Im
Rest der Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren eine volle und ausführbare Offenbarung der vorliegenden
Erfindung einschließlich ihrer besten Ausübungsart
für Durchschnittsfachleute genauer dargelegt.
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1A und 1B zeigen
Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements.
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4A und 4B zeigen
zwei verschiedene Betriebsarten eines Halbleiterbauelements.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements.
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8 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterbauelements.
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9 eine
Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement.
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10 zeigt
ein Referenz-Halbleiterbauelement.
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11 zeigt
ein weiteres Referenz-Halbleiterbauelement.
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12A bis 12D zeigen
Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiterbauelements
gemäß einer Ausführungsform.
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13 zeigt
die Durchbruchsspannung eines Halbleiterbauelements in Abhängigkeit
vom Potential der Feldelektrode.
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14A zeigt ein Schaltelement gemäß einer
Ausführungsform und 14B ein
mögliches Schaltverhalten des Schaltelements
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15A und 15B zeigen
Ausführungsformen eines Schaltelements.
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16 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Schaltelements.
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17 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Schaltelements.
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18 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Schaltelements.
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19 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Schaltelements.
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20 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Schaltelements.
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21 zeigt
eine Ausführungsform eines Schaltelements mit integriertem
Durchbruchssensor.
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22 zeigt
eine weiter Ausführungsform eines Schaltelements mit integriertem
Durchbruchssensor.
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23 zeigt
eine weiter Ausführungsform eines Schaltelements mit integriertem
Durchbruchssensor.
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24A und 24B veranschaulichen das
Schaltverhalten einer Feldelektrode synchron zum Schaltereignis.
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25 zeigt
die Integration eines Schaltelements in ein Halbleiterbauelement.
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Es
wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen
Bezug genommen, für die in den Figuren ein oder mehrere
Beispiele dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung
angegeben und soll keine Beschränkung der Erfindung darstellen. Zum
Beispiel können als Teil einer Ausführungsform dargestellte
oder beschriebene Merkmale in oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen
verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu ergeben.
Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen
und Varianten umfasst. Die Beispiele werden unter Verwendung spezifischer
Begriffe beschrieben, die nicht als Begrenzung des Schutzumfangs
der angefügten Ansprüche aufzufassen ist. Die
Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich
zur Veranschaulichung.
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Der
in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck "lateral" soll
eine zu der Hauptoberfläche eines Halbleiterwafers oder
-chips parallele Orientierung beschreiben.
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Der
in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck "vertikal"
soll eine Orientierung beschreiben, die senkrecht zu der Hauptoberfläche (erste
Oberfläche) des Halbleiterwafers oder -chips angeordnet
ist.
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Der
in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck "oberhalb"
beschreibt eine Lage eines Strukturmerkmals, das in Bezug auf ein
anderes Strukturmerkmal näher bei der ersten Oberfläche angeordnet
ist, bzw. in Bezug auf die in den Figuren angegebene Orientierung
zu verstehen ist.
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Der
in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck "unter" beschreibt
folglich eine Lage eines Strukturmerkmals, der in Bezug auf ein anderes
Strukturmerkmal näher bei der zweiten Oberfläche
angeordnet ist.
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In
der vorliegenden Beschreibung beschriebene spezifische Ausführungsformen
betreffen ohne Einschränkung Leistungshalbleiterbauelemente
wie etwa Dioden und insbesondere Bauelemente, die durch den Feldeffekt
gesteuert werden, wie etwa Leistungsfeldeffekttransistoren (FET;
engl.: Field Effect Transistor) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate
(IGBT; engl.: Insulated Gate Bipolar Transistor).
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1A zeigt
ein Halbleiterbauelement 80 gemäß einer
ersten Ausführungsform. Das Halbleiterbauelement 80 umfasst
ein geeignetes Halbleitersubstrat 81, wie etwa Silizium
oder Siliziumcarbid, mit einem darin gebildeten pn-Übergang 89.
Der pn-Übergang 89 wird zwischen zwei Regionen
mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp gebildet. Bei der
in 1A gezeigten Ausführungsform wird der pn-Übergang 89 zwischen
einer in dem Halbleitersubstrat 81 angeordneten Dotierungsregion 82 und einer
angrenzenden Region des Halbleitersubstrats 81 mit entgegengesetztem
Typ gebildet. Die Dotierungsregion 82 ist an einer Oberfläche
des Halbleitersubstrats 81 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 81 kann
zum Beispiel n-dotiert sein, während die Dotierungsregion 82 p-dotiert
sein kann. Die Dotierungsregion 82 wird durch eine Kontaktschicht 83 kontaktiert, die
auf einer Seite des Halbleitersubstrats 82 angeordnet ist
und einen Anschluss 84 aufweist. Auf der entgegengesetzten
Seite des Halbleitersubstrats 81 wird eine weitere Kontaktschicht 85 zur
Kontaktierung des Halbleitersubstrats 81 gebildet. Die
weitere Kontaktschicht 85 weist auch einen Anschluss 86 auf.
Die Ausführungsform von 1A kann
eine Diode repräsentieren, wie zum Beispiel einen Leistungsgleichrichter.
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Der
pn-Übergang 89 weist bei dieser Ausführungsform
mindestens zwei Regionen auf. Die mit einer gestrichelten Linie
eingekreiste Region 88 bildet einen flachen oder geraden Übergang,
während die durch eine gestrichelte Linie eingekreiste
Region 87 gekrümmt ist. Ein gekrümmter
pn-Übergang wird an einem peripheren Teil, genauer gesagt
an einem lateral peripheren Teil, der Dotierungsregion 82 gebildet.
Die Region 82, in der der pn-Übergang 89 gekrümmt
ist, ist beim Betrieb in Umkehrrichtung bzw. Sperrrichtung für
einen Lawinendurchbruch anfällig, da das elektrische Feld
unter Umkehrbedingungen bzw. Sperrbedingungen dort inhomogen ist.
Es ist deshalb wahrscheinlich, dass in der Region 87 ein Lawinendurchbruch
im Umkehrmodus bzw. Sperrmodus auftritt. Aufgrund der Krümmung
der Region 87 kann der Lawinendurchbruch bei einer Spannung auftreten,
die kleiner als die Volumendurchbruchspannung des Halbleitersubstrats 81 ist.
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Um
einen Lawinendurchbruch bei kleinen umgekehrten Spannungen, d. h.
bei kleinen Sperrspannungen, zu vermeiden, wird neben der gekrümmten
Region 82 des pn-Übergangs 89 eine Feldelektrode 90 angeordnet.
Die Feldelektrode 90 wird durch eine isolierende Schicht 97 von
dem Halbleitersubstrat 81 isoliert, um ein Kurzschließen
des pn-Übergangs 89 zu vermeiden.
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Die
Feldelektrode 90 ist elektrisch mit einem Ausgangsanschluss 91 eines
Schaltelements 93 verbunden, das zwei Eingangsanschlüsse 94 und 95 und
einen Steueranschluss 92 aufweist. Das Schaltelement 93 ermöglicht
eine selektive Verbindung der Feldelektrode 90 mit einem
von zwei verschiedenen elektrischen Potentialen, die den jeweiligen
Eingangsanschlüssen 94, 95 zugeführt
werden. Ein elektrisches Potential kann zum Beispiel das elektrische
Potential der Dotierungsregion 82 sein, und das andere
elektrische Potential kann das elektrische Potential des Halbleitersubstrats 81 unter
Umkehrbedingungen bzw. Sperrbedingungen sein. Bei bestimmten Ausführungsformen
kann der Eingangsanschluss 94 mit dem Anschluss 84 der
Kontaktschicht 83 zur Kontaktierung der Dotierungsregion 82 verbunden
werden, während der Eingangsanschluss 95 mit dem
Anschluss 86 der Kontaktschicht 85 verbunden werden
kann.
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Zum
Beispiel wird beim Anlegen des der Dotierungsregion 82 zugeführten
elektrischen Potentials an die Feldelektrode 90 unter Umkehrbedingungen
bzw. Sperrbedingungen das zwischen der Dotierungsregion 82 und
dem Halbleitersubstrat 81 gebildete elektrische Feld mindestens
teilweise aus der für Durchbruch anfälligen Region 87 herausgedrückt, und
es wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass in der Region 87 ein
Durchbruch auftritt. Bei geeigneter Auswahl des Layout und der Anordnung
der Feldelektrode 90 und des daran angelegten elektrischen Potentials
können die elektrischen Durchbrucheigenschaften des Halbleiterbauelements 80 so
geändert werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass in der
gekrümmten Region 87 ein Durchbruch auftritt,
kleiner als die Wahrscheinlichkeit für einen Durchbruch
in der geraden oder flachen Region 88 ist. Die umschaltbare
Feldelektrode oder Feldplatte 90 ermöglicht deshalb
eine Änderung der elektrischen Durchbrucheigenschaften
des Halbleiterbauelements 80 beim Betrieb unter Umkehrbedingungen
(Sperrbedingungen). Anders ausgedrückt kann das Halbleiterbauelement 80 zwischen
zwei verschiedenen Durchbruchregimes umgeschaltet werden. Die jeweiligen
elektrischen Potentiale können auf abwechselnde Weise mit
einem gegebenen Tastverhältnis angelegt werden.
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1B zeigt
eine weitere Ausführungsform des Halbleiterbauelements 80 mit
einem in dem Halbleitersubstrat 81 neben dem pn-Übergang 89 angeordneten
Graben 96. In dem Graben 96 wird die Feldelektrode 90 aufgenommen.
Wie bei der in 1A gezeigten Ausführungsform
ist die Feldelektrode oder Feldplatte 90 durch das Schaltelement 93 zwischen
zwei elektrischen Potentialen umschaltbar.
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Mit
der Feldelektrode 90 kann man zwischen verschiedenen Lawinendurchbruchregionen
umschalten, die in 1B durch gestrichelte Linien 98 bzw. 99 eingekreist
sind. In der Region 98 würde ein Durchbruch auftreten,
wenn Sourcepotential an die Feldelektrode 90 angelegt wird.
Im Gegensatz dazu würde in der Region 99 ein Durchbruch
auftreten, wenn Drainpotential an die Feldelektrode 90 angelegt
wird, da dies die elektrische Felddichte in der Nähe der
Region 99 vergrößert.
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Das
Schaltelement 93 kann in das Halbleitersubstrat 81 integriert
oder separat von diesem gebildet werden. Im letzteren Fall wird
auf dem Halbleitersubstrat 81 eine Steuerkontaktstelle
bzw. Steuerpad (engl.: control contact pad) gebildet, die sich in
elektrischer Verbindung mit der Feldelektrode 90 befindet,
d. h. elektrisch mit der Feldelektrode 90 verbunden ist,
um eine externe Verbindung der Feldelektrode 90 mit dem
Ausgangsanschluss 91 des Schaltelements 93 zu
ermöglichen. Die Anschlüsse 84 und 86 werden
auch in der Regel durch entsprechende Kontaktstellen bzw. Kontaktpads
(engl.: contact pads) gebildet.
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Wenn
das Schaltelement 93 in das Halbleitersubstrat 81 integriert
wird, kann eine separate Kontaktstelle bzw. Kontaktpad vorgesehen
werden, um eine externe Verbindung mit dem Steueranschluss 92 des
Schaltelements 93 zu ermöglichen. In diesem Fall
werden die Eingangsanschlüsse 94, 95 des
Schaltelements 93 in der Regel mit den Anschlüssen 84 bzw. 86 verbunden.
Dies ermöglicht eine externe Steuerung des Schaltelements 93 und der
Feldelektrode 90, ohne dass es notwendig ist, die elektrischen
Potentiale separat bereitzustellen. Es wäre jedoch auch
möglich, elektrisch mit den Eingangsanschlüssen 94, 95 des
Schaltelements 93 verbundene Kontaktstellen bzw. Kontaktpads
bereitzustellen, um jeweilige elektrische Potentiale extern anzulegen.
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Bei
Betrachtung des in 1A gezeigten Planarbauelements
wird die Feldelektrode 90 in der Regel nach der Bildung
des pn-Übergangs 89 gebildet, während
in dem in 1B gezeigten Grabenbauelement
die Feldelektrode 90 in der Regel vor der Bildung des pn-Übergangs 89 gebildet
wird. In der Regel können beide Bauelemente eine durch
die Kontaktschicht 85 gebildete rückseitige Metallisierung
und eine durch die Kontaktschicht 84 gebildete vorderseitige
Metallisierung enthalten.
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Mit
Bezug auf 2 wird eine weitere Ausführungsform
eines Halbleiterbauelements beschrieben. Das Halbleiterbauelement 1 umfasst
ein Halbleitersubstrat 2, das aus Silizium, Siliziumcarbid, III-V-Halbleitermaterial,
II-VI-Halbleitermaterial, Heteroübergangs-Halbleitermaterial
oder einem beliebigen anderen geeigneten Halbleitermaterial bestehen kann.
Das Halbleitersubstrat 2 kann ein Einkristallmaterial und
mindestens eine darauf gebildete Epitaxieschicht aufweisen. Bei
einer typischen Anwendung bildet die freie Oberfläche der
Epitaxieschicht eine erste Oberfläche 51 und die
freie Oberfläche des Einkristallmaterials bildet eine zweite
Oberfläche 52 des Halbleitersubstrats 2.
Die erste und die zweite Oberfläche 51 und 52 sind
einander gegenüber angeordnet und verlaufen im Wesentlichen
lateral. Der hier verwendete Ausdruck Einkristallmaterial bezieht sich
auf einen Wafer, der durch Abschneiden einer Scheibe zum Beispiel
von einem Einkristallrohblock oder -körper gebildet wird.
Auf dem Einkristallmaterial kann durch einen beliebigen geeigneten
Ablagerungsprozess mindestens eine Epitaxieschicht gebildet werden.
Als Alternative kann ein Wafer ohne zusätzliche Epitaxieschicht
als Halbleitersubstrat 2 verwendet werden. Weiterhin kann
auch ein durch Bonden zweier Wafer gebildetes Halbleitersubstrat
verwendet werden. Insbesondere aber nicht ausschließlich
für Leistungshalbleiterbauelemente umfasst das Halbleitersubstrat 2 ein
Einkristallmaterial und eine darauf gebildete Epitaxieschicht, wodurch
eine feine Justierung der Dotierungskonzentration der Epitaxieschicht
während der Ablagerung gemäß spezifischen
Bedürfnissen möglich wird. Bei den meisten Anwendungen
werden als das Material für das Halbleitersubstrat 2 Silizium
oder Siliziumcarbid verwendet.
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In
dem Halbleitersubstrat 2 wird an der ersten Oberfläche 51 eine
erste Dotierungsregion 31 angeordnet. Die erste Dotierungsregion 31 dient
in der Regel als Sourceregion und weist einen ersten Leitfähigkeitstyp
auf. Bei vielen Anwendungen ist die erste oder Sourceregion 31 stark
n-dotiert, in der Regel im Bereich von etwa 1·1019 bis zu etwa 1·1021/cm3. In der folgenden Beschreibung wird die
erste Dotierungsregion 31 ohne Beschränkung darauf
als Sourceregion 31 bezeichnet.
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An
der zweiten Oberfläche 52 wird eine zweite Dotierungsregion 32 in
dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet. Im Fall eines FET-Transistors
ist die zweite Dotierungsregion 32 eine Drainregion, die denselben
Leitfähigkeitstyp wie die Sourceregion 31 aufweist.
Im Gegensatz dazu bildet im Fall eines IGBT die zweite Dotierungsregion 32 eine
Emitterregion, die eine der Sourceregion 31 entgegengesetzte Leitfähigkeit
aufweist. Die hier beschriebenen Leistungshalbleiterbauelemente
wie etwa Leistungs-FET und -IGBT sind für einen charakteristischen
vertikalen Laststrom ausgelegt, der von der Sourceregion 31 zu
der Drain- bzw. der Emitterregion 32 fließt. Bei einer
typischen Anwendung ist die Drain- oder Emitterregion 32 stark
dotiert im Bereich von etwa 1·1019/cm3 bis zu etwa 1·1021/cm3. In der folgenden Beschreibung wird die
zweite Dotierungsregion 32 ohne Beschränkung darauf
als Drainregion 32 bezeichnet. Im Fall eines IGBT wird
die zweite Dotierungsregion 32 als Emitterregion bezeichnet.
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In
dem Halbleitersubstrat 2 wird in Kontakt mit der Sourceregion 31 eine
dritte Dotierungsregion 33 angeordnet. Die dritte Dotierungsregion 33 bildet in
der Regel eine Bodyregion und weist einen der Sourceregion 31 entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp auf, so dass zwischen der Sourceregion 31 und der
dritten Dotierungsregion 33 ein erster pn-Übergang 35 gebildet
wird. Die Dotierungskonzentration der dritten Dotierungsregion 33 ist
in der Regel p-dotiert im Bereich von etwa 5·1016/cm3 bis zu etwa 5·1018/cm3. In der folgenden
Beschreibung wird die dritte Dotierungsregion 33 ohne Beschränkung
darauf als Bodyregion 33 bezeichnet.
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Eine
vierte Dotierungsregion 34 wird zwischen der Bodyregion 33 und
der Drainregion 32 angeordnet und bildet in der Regel eine
Driftregion mit demselben Leitfähigkeitstyp wie die Sourceregion 31.
Die Dotierungskonzentration der vierten Dotierungsregion 34 entspricht
im Wesentlichen der Hintergrund-Dotierungskonzentration des Halbleitersubstrats 2 oder
der Epitaxieschicht, wenn eine verwendet wird. Die Dotierungskonzentration
der vierten Dotierungsregion 34 kann jedoch auch ein Dotierungsprofil
aufweisen, das an einem gewünschten Ort ein Maximum oder
ein Minimum aufweist, oder eine zunehmende oder abnehmende Dotierungskonzentration
in Vertikalrichtung. Die Anpassung des Dotierungsprofils der vierten
Dotierungsregion 34 hilft dabei, die Durchbruch- und Durchlasseigenschaften des
Halbleiterbauelements 1 zu verbessern. Die Dotierungskonzentration
der vierten Dotierungsregion 34 liegt in der Regel im Bereich
von etwa 1·105/cm3 bis
zu etwa 5·1017/cm3.
Die vierte Dotierungsregion 34 befindet sich in direktem
Kontakt mit der Bodyregion 33 und bildet mit ihr einen
zweiten pn-Übergang 36. In der folgenden Beschreibung
wird die vierte Dotierungsregion 34 ohne Beschränkung
darauf als Driftregion 34 bezeichnet.
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Mindestens
ein erster Graben 10 ist in dem Halbleitersubstrat 2 angeordnet
und erstreckt sich von der ersten Oberfläche 51 in
das Halbleitersubstrat 2 in Richtung zur zweiten Oberfläche 52,
wobei der Boden des Grabens 10 von der zweiten Oberfläche 52 und
insbesondere der Drainregion 32 im Fall eines FET oder
der Emitterregion 32 im Fall eines IGBT beabstandet ist.
Lateral von dem ersten Graben 10 beabstandet ist ein zweiter
Graben 20 angeordnet, der sich auch von der ersten Oberfläche 51 in das
Halbleitersubstrat 2 erstreckt. Bei dieser Ausführungsform
ist in dem Halbleitersubstrat 2 in beabstandeter Beziehung
zu dem zweiten Graben 20 ein weiterer erster Graben 10 gebildet,
so dass der zweite Graben 20 zwischen den beiden ersten
Gräben 10 angeordnet ist. Die Teile des Halbleitersubstrats 2, die
zwischen angrenzenden Gräben übrig bleiben, werden
als Mesastrukturen 54 bezeichnet. Die ersten und zweiten
Gräben 10, 20 verlaufen vertikal und
im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche 51.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen umfasst das Halbleiterbauelement 1 einen
ersten und einen zweiten Graben. Bei anderen Ausführungsformen umfasst
das Halbleiterbauelement zwei erste Gräben 10 und
einen zwischen den beiden ersten Gräben 10 angeordneten
zweiten Graben 20. Bei weiteren Ausführungsformen
werden mindestens drei erste Gräben 10 und mindestens
ein zweiter Graben 20 vorgesehen, wobei der zweite Graben
zwischen zwei der drei ersten Gräben 10 angeordnet
wird. Bei vielen Anwendungen werden ausgewählte Gräben
als zweite Gräben 20 gebildet, zum Beispiel jeder
zweite, dritte, vierte oder jeder fünfte Graben. Es wären
auch andere Verhältnisse möglich.
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Bei
dieser Ausführungsform ist ersichtlich, dass die ersten
Gräben 10 eine größere vertikale Ausdehnung
als der zweite Graben 20 aufweisen. Wie in Verbindung mit
anderen Ausführungsformen offensichtlicher werden wird,
können alle Gräben 10, 20 auch
dieselbe vertikale Ausdehnung aufweisen.
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Der
erste Graben 10 umfasst eine Gateelektrode 11 und
eine Feldelektrode 12, die beide in dem ersten Graben 10 angeordnet
sind, wobei die Gateelektrode 11 über der Feldelektrode 12 in
der Nähe der ersten Oberfläche 31 angeordnet
ist. Die Gateelektrode 11 erstreckt sich vertikal, d. h.
parallel zu dem vertikalen Ausmaß des ersten Grabens 10 von
der Sourceregion 31 zu der Driftregion 34. Da
die Bodyregion 33 zwischen der Sourceregion 31 und
der Driftregion 34 angeordnet ist, erstreckt sich die Gateelektrode 11 des
ersten Grabens 10 vollständig durch die Bodyregion 33.
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Es
ist erwähnenswert, dass Gateelektrode und Feldelektrode
voneinander verschieden sind und verschiedenen Zwecken dienen. Eine
Gateelektrode wird nahe bei zwei verschiedenen pn-Übergängen angeordnet,
die durch eine oft als Bodyregion bezeichnete Kanalbildungsregion
getrennt werden. Die Gateelektrode dient zum Erzeugen eines leitfähigen Kanals
in der Kanalbildungsregion, um einen elektrischen Pfad über
die beiden pn-Übergänge bereitzustellen. Im Unterschied
dazu wird eine Feldelektrode in der Nähe von nur einem
pn-Übergang oder sogar von einem pn-Übergang entfernt
angeordnet, so dass sie nicht dafür ausgelegt ist, einen
leitfähigen Kanal zu bilden. Der Hauptzweck einer Feldelektrode ist
die Beeinflussung der Verteilung des elektrischen Feldes in der
Regel in einer Driftregion, um die Durchbrucheigenschaften des Bauelements
zu ändern und zu definieren.
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Eine
Gateisolationsschicht 31, die manchmal als Gateoxidschicht
(GOX) bezeichnet wird, ist zwischen der Gateelektrode 11 und
dem Halbleitersubstrat 2 und insbesondere zwischen der
Gateelektrode 11 und der Bodyregion 33 angeordnet.
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Eine
Feldisolationsschicht 14, in der Regel ein Feldoxid (FOX),
ist zwischen der Feldelektrode 12 und dem Halbleitersubstrat 2,
insbesondere der Driftregion 34, angeordnet und isoliert
die Feldelektrode 12 von der Driftregion 34. Die
Feldoxidschicht 14 besitzt im Vergleich mit der Gateisolationsschicht 13 eine
signifikant größere Dicke, um höheren
elektrischen Feldstärken zu widerstehen, die während des
Betriebs des Halbleiterbauelements 1 auftreten, und um
einen elektrischen Durchbruch zwischen der Feldelektrode 12 und
der Driftregion 34 zu vermeiden, wie aus der nachfolgenden
Beschreibung deutlicher hervorgehen wird.
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Eine
Gate-Feld-Isolationsschicht 15, die manchmal als POLOX
(Polyoxid) bezeichnet wird, ist zwischen der Gate-Elektrode 11 und
der Feldelektrode 12 angeordnet.
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Der
zweite Graben 20 weist außerdem eine Gateelektrode 21 und
eine Feldelektrode 22 auf, wobei die Gateelektrode 21 über
der Feldelektrode 22 angeordnet wird. Ähnlich
wie der erste Graben 10 wird die Gateelektrode 21 lateral
durch eine Gateisolationsschicht 23 von dem Halbleitersubstrat 2 isoliert,
während die Feldelektrode 22 durch eine Feldisolationsschicht 24 von
dem Halbleitersubstrat 2 isoliert wird. Weiterhin isoliert
eine Gate-Feld-Isolationsschicht 25 die Gateelektrode 21 von
der Feldelektrode 22.
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Die
Gräben 10, 20 definieren jeweilige separate
Zellen des Halbleiterbauelements 1, die elektrisch miteinander
parallel geschaltet werden, um den verfügbaren Querschnitt
für den Laststrom zu vergrößern und den
Widerstand im Ein-Zustand zu reduzieren.
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In
dem Halbleitersubstrat 2 ist an der ersten Oberfläche 51 zwischen
angrenzenden Gräben 10, 20 eine Kontaktregion 40 gebildet.
In der Regel ist die Kontaktregion 40 eine mit einem hochleitfähigen
Material gefüllte Rille oder Vertiefung. Die Kontaktregion 40 kann
hergestellt werden, indem man eine Rille ätzt, eine (nicht
gezeigte) optionale Barrierenschicht, wie etwa eine Silizidschicht,
auf den Rillenwänden bildet und die Rille mit dem leitfähigen
Material füllt, das stark dotiertes Polysilizium oder ein
Metall sein kann. Vor dem Füllen der Rille oder dem Bilden
der optionalen Barrierenschicht kann eine stark dotierte Region 37 mit
demselben Leitfähigkeitstyp wie die Bodyregion 33 durch
flache Implantation gebildet werden. Die stark dotierte Region 37 kann
eine vertikale Ausdehnung von etwa 10 bis 120 nm aufweisen. In den
Figuren ist das vertikale Ausmaß der Region 37 übertrieben
dargestellt. Die Rille, in der die Kontaktregion untergebracht ist,
kann abhängig von dem tatsächlichen Entwurf des
Halbleiterbauelements eine vertikale Ausdehnung von etwa 200 bis
1500 nm aufweisen. Die Kontaktregion 40 wird manchmal als Poly-Plug bezeichnet,
da sie in der Regel aus stark dotiertem Polysilizium besteht. Die
stark dotierte Region 37 definiert in der Regel das untere
Ende 41 der Kontaktregion 40.
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Das
Halbleiterbauelement 1 umfasst ferner ein Schaltelement 60 mit
einem Ausgangsanschluss 63 und einem ersten und einem zweiten
Eingangsanschluss 61 bzw. 62. Ferner weist das
Schaltelement 60 einen Steueranschluss 64 auf.
Der erste Eingangsanschluss 61 ist mit der Sourceregion 31 verbunden,
während der zweite Eingangsanschluss 62 mit der
Drainregion 32 verbunden ist. Der Ausgangsanschluss 63 ist
mit der Feldelektrode 22 des zweiten Grabens 20 verbunden.
Die Funktionsweise des Schaltelements 60 kann durch Anlegen
eines geeigneten Steuersignals an den Steueranschluss 64 gesteuert
werden.
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Der
Zweck des Schaltelements 60 ist das dynamische Ändern
des elektrischen Potentials der Feldelektrode 22 des zweiten
Grabens. In der Regel wird das an die Feldelektrode 22 angelegte
elektrische Potential zwischen einem ersten elektrischen Potential
und einem zweiten elektrischen Potential umgeschaltet, um die elektrischen
Durchbrucheigenschaften des Halbleiterbauelements 1 zu ändern. Das
erste elektrische Potential entspricht in der Regel im Wesentlichen
dem elektrischen Potential, das an die Sourceregion 31 angelegt
wird. Das zweite elektrische Potential entspricht in der Regel im
Wesentlichen dem elektrischen Potential, das während des
Betriebs an die Drain- oder Emitterregion 32 angelegt wird.
Obwohl 2 zeigt, dass eine direkte elektrische Verbindung
zwischen dem Schaltelement 60 und der Sourceregion 31 bzw.
der Drainregion 32 besteht, ist für Fachleute
erkennbar, dass jede elektrische Verbindung einen gegebenen spezifischen Widerstand
aufweist und dass zumindest aus diesem Grund das an die Sourceregion 31 und
an die Feldelektrode 22 angelegte elektrische Potential
unterschiedlich sein kann. Darüber hinaus weist auch das Schaltelement 60,
das zum Beispiel als integrierte Schaltung ausgelegt werden kann,
einen Innenwiderstand auf. Ferner weisen die elektrischen Verbindungen
und die Feldelektrode 22 eine gegebene Kapazität
auf, die zu einer gegebenen Zeitkonstante für das Laden
der elektrischen Verbindungen und der Feldelektroden führt.
Abhängig von der Zeitkonstante und der Dauer der zeitlichen
Anlegung des zweiten elektrischen Potentials erreicht die Feldelektrode
des zweiten Grabens möglicherweise das erste oder das zweite
elektrische Potential nicht vollständig. Bei bestimmten
Ausführungsformen kann das Schaltelement deshalb elektrisch
mit der Feldelektrode des zweiten Grabens verbunden und dafür
ausgelegt werden, die Feldelektrode des zweiten Grabens selektiv
und dynamisch zwischen zwei verschiedenen elektrischen Potentialen
umzuschalten.
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Durch Ändern
des elektrischen Potentials der Feldelektrode 22 des zweiten
Grabens 20 kann das Halbleiterbauelement 1 mit
Bezug auf die Lawinendurchbrucheigenschaften zwischen zwei Betriebsarten
umgeschaltet werden. Während der Normalbetriebsart befindet
sich die Feldelektrode 22 ungefähr auf Sourcepotential
und der zweite Graben 20 hat dieselben elektrischen Eigenschaften
wie die angrenzenden ersten Gräben 10, deren Feldelektroden 12 in
der Regel permanent auf Sourcepotential geklemmt werden. Deshalb
wird die Feldelektrode des ersten Grabens in der Regel bei bestimmten
Ausführungsformen permanent elektrisch mit der ersten Dotierungsregion
verbunden.
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Um
die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements 1 und
den Einfluss des an die Feldelektroden 12, 22 angelegten
elektrischen Potentials zu veranschaulichen, kann der Verlauf von isoelektrischen
Potentiallinien betrachtet werden. 4A und 4B exemplifizieren
dies qualitativ für verschiedene Betriebsarten beim Betrieb
unter Umkehr- bzw. Sperrbedingungen.
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4A zeigt
das Halbleiterbauelement 1 im Umkehr- bzw. Sperrmodus,
in dem alle Feldelektroden 12, 22 im Wesentlichen
auf Sourcepotential liegen. Die Drainregion 32 liegt auf
Drainpotential und der Hauptabfall des elektrischen Feldes zwischen den
Source- und Drainregionen 31, 32 erfolgt in der Driftregion 34.
Der Einfachheit halber wird die Funktionsweise des Halbleiterbauelements
mit Bezug auf einen Leistungs-FET erläutert, wäre
aber im Prinzip für einen IGBT und andere feldgesteuerte
Bauelemente gleich. Die angelegten elektrischen Potentiale werden
durch Buchstaben S und D gekennzeichnet, wobei sich S auf Sourcepotential
und D auf Drainpotential bezieht.
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Das
gemeinsame elektrische Potential aller Feldelektroden 12, 22 bewirkt,
dass das elektrische Feld aus den Mesastrukturen 54 heraus
in Richtung der Drainregion 32 "gedrückt" wird,
so dass der Hauptabfall des elektrischen Feldes von der Bodyregion 33 und
den Kontaktregionen 40 entfernt erfolgt. Diese Situation
ist in 4A schematisch dargestellt,
und ein Lawinendurchbruch würde wahrscheinlich in der Nähe
der Böden der Gräben 10, 20 auftreten,
wie in Verbindung mit einer in 11 gezeigten Referenzstruktur
nachfolgend ausführlicher erläutert werden wird.
Eine exemplifizierte isoelektrische Potentiallinie wird mit 55 bezeichnet.
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Um
einen Lawinendurchbruch in der Nähe der Böden
der Gräben 10, 20 zu vermeiden, wird
das elektrische "Verhalten" des zweiten Grabens 20 durch
vorübergehendes Anlegen des Drainpotentials D an die Feldelektrode 22 geändert.
Hierdurch "verschwindet" der zweite Graben 20 in Bezug
auf seinen Einfluss zum Herausdrücken des elektrischen
Feldes. Da die Feldelektrode 20 des zweiten Grabens 20 nun
auf Drainpotential D liegt, kann das Drainpotential und deshalb
das elektrische Feld tief in die Driftregion 34 und die
Messstrukturen 54 neben dem zweiten Graben 20 eindringen
und der Kontaktregion 40 nahe kommen, so dass ein Lawineneffekt
nun wahrscheinlich in der Nähe der Kontaktregion 40 und entfernt
von den Feldoxiden 14, 24 der ersten und zweiten
Gräben 10 bzw. 20 auftreten würde.
Das elektrische Potential der Feldelektroden 12 der ersten
Gräben 10 bleibt dagegen auf Sourcepotential S, da
die Feldelektrode 12 permanent elektrisch mit der Sourceregion 31 verbunden
ist. 4B zeigt schematisch die Situation, in der das
Drainpotential D an die Feldelektrode 22 angelegt wird,
während die Feldelektroden 12 auf Sourcepotential
S gehalten werden.
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Bei
einer typischen Anwendung verbindet das Schaltelement 60 die
Feldelektrode 22 des zweiten Grabens 20 selektiv
mit der Source- oder der Drainregion 31 bzw. 32.
Genauer gesagt wird die Feldelektrode 22 im Fall eines
Lawinendurchbruchs vorübergehend mit der Drainregion 32 verbunden. Aus
diesem Grund wird der zweite Graben 20 in der vorliegenden
Beschreibung als umschaltbarer Graben bezeichnet.
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Bei
vielen Leistungsanwendungen kommt es zu sogenannten sich wiederholenden
Lawinendurchbrüchen, die durch die externe Last verursacht
werden, mit der das Leistungshalbleiterbauelement 1 verbunden
ist. Diese Lawinendurchbrüche oder Lawinenimpulse geschehen
regelmäßig mit einer gegebenen Häufigkeit.
Das Schaltelement 60 kann dafür ausgelegt sein,
die Drainspannung mit der Frequenz des sich wiederholenden Lawinendurchbruchs
anzulegen. Als Alternative kann ein geeignetes periodisches Steuersignal
an den Steueranschluss 64 des Schaltelements 60 angelegt
werden, um die Umschaltung zu bewirken.
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Eine
weitere Möglichkeit bestünde darin, die Drainspannung
zu überwachen und zu bewirken, dass das Schaltelement 60 das
Drainpotential an die Feldelektrode 22 des zweiten Grabens 20 anlegt, wenn
die Drainspannung eine gegebene Schwelle übersteigt, da
die Drainspannung kurz vor dem Auftreten eines Durchbruchs ansteigt.
Zu diesem Zweck sollte ein (nicht gezeigtes) geeignet schnelles Überwachungsbauelement
verwendet werden, das bevorstehende und wiederauftretende Durchbrüche
präzise detektieren kann.
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Um
mit der Frequenz des sich wiederholenden Lawineneffekts umzuschalten,
ist das Schaltelement 60 dafür ausgelegt, das
Drainpotential für einen Zeitraum zwischen etwa einigen
hundert Nanosekunden bis zu etwa einigen 10 Millisekunden anzulegen. Beim Überwachen
der Drainspannung kann ferner eine Schwellenspannung definiert werden,
die das Schaltelement 60 triggert, um das Drainpotential
an die Feldelektrode 22 des zweiten Grabens anzulegen.
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Die
Verwendung eines Schaltelements 60 ermöglicht
außerdem eine Modifikation der Abhängigkeit der
Gate-Drain-Kapazität (Cgd) von der Drain-Source-Spannung
(Vds). Wenn die Impulsrate der Lawinendurchbruchimpulse für
eine spezifische Anwendung bekannt ist, kann die Cgd(Vds)-Abhängigkeit
durch gesteuertes Umschalten des elektrischen Potentials beeinflusst
werden. Wenn zum Beispiel ein langsamer Abfall der Gate-Drain-Kapazität Cgd
erwünscht ist, sollte das Drainpotential in einer sehr
frühen Phase eines sich wiederholenden Lawinenimpulses
angelegt werden, so dass eine Verarmung der Messstrukturen 54 zwischen
den Gräben 10, 20 verzögert
werden kann.
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Das
Schaltelement 60 kann von dem Halbleiterbauelement 1 separat
angeordnet und gebildet werden. In diesem Fall umfasst das Halbleiterbauelement 1 eine
Steuerkontaktstelle bzw. Steuerpad 73, die elektrisch mit
der Feldelektrode 22 verbunden ist, so dass das gewünschte
elektrische Potential extern an die Feldelektrode angelegt werden
kann. 9 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement 1 mit
einem eine Kontaktstelle bzw. Pad bildenden Sourcekontakt 71 und
einer davon separaten Steuerkontaktstelle bzw. Steuerpad 73 auf
einer Oberseite des Halbleiterbauelements 1. Der Drain-
oder Emitterkontakt würde sich auf der nichtgezeigten unteren Seite
des Halbleiterbauelements 1 befinden. Der Ausgangsanschluss 63 des
Schaltelements 60 ist zum Beispiel durch einen Bonddraht 75 elektrisch
mit der Steuerkontaktstelle 73 verbunden. 9 zeigt ein
Schaltelement 60, das als separate integrierte Schaltung
gebildet ist, d. h. das Schaltelement 60 ist nicht in das
Halbleitersubstrat 2 integriert. Sowohl das Halbleitersubstrat 2 als
auch das Schaltelement 60 können auf einem gemeinsamen
Substrat oder Board 70 angeordnet werden. Es gibt viele
Möglichkeiten zur Anordnung des Schaltelements 60,
zum Beispiel als Chip-on-Chip- oder Chip-by-Chip-Anordnung. Im alternativen
Fall einer integrierten Lösung kann das Schaltelement 60 als
eine Schaltung oder ein Bauelement gebildet werden, die bzw. das
in das Halbleitersubstrat 2, zum Beispiel an seiner Peripherie,
integriert wird.
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Die
verbesserten Eigenschaften des hier beschriebenen Halbleiterbauelements 1 werden
bei Bezugnahme auf in 10 und 11 gezeigte
Referenzbauelemente deutlicher erkennbar. Diese Referenzbauelemente
enthalten keinen umschaltbaren Graben. 10 zeigt
ein Referenzbauelement 101 mit weit beabstandeten Gräben 110 und
jeweils einer Gate- oder einer Feldelektrode 111 bzw. 112. Ähnlich wie
das Halbleiterbauelement 1 umfasst das Referenzbauelement 101 eine
Sourceregion 131, eine Drainregion 132, eine Bodyregion 133 und
eine Driftregion 134. Die Bodyregion 133 wird
durch die Kontaktregion 140 kontaktiert, die in der Mesastruktur 154 angeordnet
ist und eine stark dotierte Region 137 aufweist. Aufgrund
des großen Abstands zwischen angrenzenden Gräben 110,
der die laterale Ausdehnung jedes Grabens 110 signifikant übersteigt,
kann das elektrische Feld tief in die Driftregion 134 eindringen
und erstreckt sich in die Nähe der Kontaktregion 140,
wo ein Lawinendurchbruch auftreten würde. Der Ort eines
Durchbruchs wird durch einen Blitz angegeben.
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11 zeigt
ein Halbeiterreferenzbauelement 201 mit dicht beabstandeten
Gräben 211. Der laterale Abstand zwischen angrenzenden
Gräben 210 ist signifikant kleiner als der laterale
Abstand der Gräben 110 in 10. Das
Halbleiterbauelement 201 weist außerdem eine Sourceregion 231,
eine Bodyregion 233, eine Driftregion 234 bzw.
eine Drainregion 232 auf, ähnlich wie das Halbleiterbauelement 101 von 10.
Ferner sind Gateelektroden 211 und Feldelektroden 212 in
jedem Graben 210 angeordnet. Das elektrische Potential
der Feldelektroden 212 wird während des Betriebes
permanent auf Sourcepotential gehalten, so dass wie oben erläutert
das elektrische Feld aus den Mesastrukturen 254 herausgedrückt
wird. Ein Lawinendurchbruch, der durch einen Blitz angegeben ist,
würde deshalb in der Nähe irgendwelcher der Böden
der Gräben 210 auftreten, wo die isoelektrischen
Potentiallinien konzentriert sind.
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Das
Halbleiterbauelement 101 und das Halbleiterbauelement 201 weisen
beide einen festen Ort ihres Lawinendurchbruchs auf. Im Unterschied
dazu kann der Ort des Lawinendurchbruchs des hier beschriebenen
Halbleiterbauelements 1 gesteuert und verschoben werden.
Ein nützlicher Aspekt des Halbleiterbauelements 1 besteht
darin, dass es so gesteuert werden kann, dass es sich unter Normal-
oder Vorwärtsbedingungen (Durchlassbedingungen) wie ein
Dichtgrabenbauelement verhält und während eines
Lawinendurchbruchs wie ein Bauelement mit weit beabstandeten Gräben.
Zu diesem Zweck ist die laterale Ausdehnung der Gräben 10, 20 des
Halbleiterbauelements 1 bei vielen Ausführungsformen
größer oder gleich dem lateralen Abstand (laterale
Ausdehnung der Messstrukturen 54) zwischen angrenzenden
Gräben 10, 20, um das Dichtgrabenregime aufrechtzuerhalten.
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Durch
selektives Anlegen verschiedener elektrischer Potentiale an Feldelektroden
gewählter Gräben können die elektrischen
Eigenschaften dieser Gräben und somit die Eigenschaften
des gesamten Bauelements geändert werden. Im Vorwärtsmodus
sollte das Halbleiterbauelement 1 als ein Bauelement des
Dichtgrabenkonzepts funktionieren, um den verringerten Durchlasswiderstand
(Widerstand im Ein-Zustand) von Dichtgrabenbauelementen zu nutzen.
Insbesondere kann die Dotierungskonzentration der Driftregion 34 im
Vergleich mit weit beabstandeten Gräben des Feldelektrodenkonzepts
vergrößert werden. Der Lawinendurchbruch eines
Dichtgrabenbauelements wie in 11 gezeigt
befindet sich jedoch in der Nähe der Feldisolationsschicht.
Während eines Lawinendurchbruchs fließen in dichter Nähe
des Grabens 210 erzeugte Ladungsträger entlang
der Graben-Substrat-Grenze abhängig von ihrem Leitfähigkeitstyp
entweder in Richtung der Bodyregion 233 und dann zu der
Kontaktregion 240 oder in Richtung der Drainregion 232.
Während dieses Flusses können die Ladungsträger
in angrenzende Isolationsschichten (Feldisolationsschicht oder Gateisolationsschicht)
gestreut werden und können in den jeweiligen Isolationsschichten
eingefangen und akkumuliert werden. Die eingefangenen Ladungsträger
können ein Driften der elektrischen Eigenschaften des Bauelements
verursachen, das zu einem veränderten Verhalten und letztendlich
zu einer Fehlfunktion des Bauelements führen könnte.
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Das
hier beschriebene Halbleiterbauelement 1 vermeidet die
Akkumulation von während des Lawinendurchbruchs erzeugten
heißen Ladungsträgern oder reduziert diese zumindest
signifikant, da der Ort des Lawinendurchbruchs in Richtung der Kontaktregion 40 von
Isolationsschichten des Grabens weg verlagert wird. Insbesondere
kann der Ort des Lawinendurchbruchs, der mit dem sich wiederholenden Lawinendurchbruch
assoziiert ist, der mit im Wesentlichen konstanter Frequenz auftritt
und durch externe Anwendungen verursacht wird, beeinflusst werden. Erzeugte
Ladungsträger fließen daher direkt entweder zu
der Kontaktregion oder zu dem Drainregion in ausreichendem Abstand
zu dem Graben, so dass keine Akkumulation stattfindet.
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Im
Prinzip sollte mindestens einer der Gräben dafür
ausgelegt werden, das Anlegen verschiedener elektrischer Potentiale
zu erlauben. In der Regel wird der umschaltbare Graben zwischen
zwei angrenzenden 'normalen' Gräben angeordnet, an deren Feldelektroden
ein konstantes elektrisches Potential angelegt ist. Die Anzahl und
Anordnung der umschaltbaren Gräben kann abhängig
von spezifischen Bedürfnissen eingestellt werden. Bei den
meisten Anwendungen können bis zu 50% aller Gräben
als umschaltbare Gräben gebildet werden. Bei anderen Ausführungsformen
werden mindestens 5% aller Gräben als umschaltbare Gräben
gebildet, so dass ein typischer Bereich von etwa 5% bis 50% beträgt.
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Es
ist nicht erforderlich, dass alle Gräben als umschaltbare
Gräben gebildet werden, obwohl die isoelektrischen Potentiallinien
im Rückwärtsmodus an den Böden aller
nicht umgeschalteten Gräben konzentriert bleiben. Die Wahrscheinlichkeit,
dass der tatsächliche Lawinendurchbruch in der Nähe
der an den umgeschalteten Graben angrenzenden Kontaktregion auftritt,
ist jedoch signifikant größer als die Wahrscheinlichkeit,
dass der Durchbruch an den nicht umgeschalteten Gräben
auftritt.
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Für
die Herstellung des hier beschriebenen Halbleiterbauelements 1 und
um zuverlässigen Betrieb des Bauelements sicherzustellen,
kann folgendes berücksichtigt werden.
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Die
Gate-Feld-Isolationsschicht 25 des umschaltbaren Grabens 20 sollte
dick genug sein, um der großen Potentialdifferenz zwischen
der Gateelektrode 21 und der Feldelektrode 22 beim
Anlegen des Drainpotentials an die Feldelektrode 22 zu
widerstehen. Dies gilt nicht unbedingt für die Gate-Feld-Isolationsschicht 15 der
ersten Gräben 10. Um den Herstellungsprozess zu
vereinfachen, können jedoch beide Gate-Feld-Isolationsschichten 15, 25 mit
derselben Dicke gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich,
die umschaltbaren oder zweiten Gräben 20 mit einer
Gate-Feld-Isolationsschicht 25 herzustellen, die signifikant
größer als die Gate-Feld-Isolationsschicht 15 der
ersten Gräben 10 ist. Im Fall von Siliziumoxid
als Material für die Gate-Feld-Isolationsschicht 25 sollte
die in Nanometern ausgedrückte Dicke der Gate-Feld-Isolationsschicht 25 ungefähr gleich
der, oder höher als die, in Volt ausgedrückten Potentialdifferenz,
der die Gate-Feld-Isolationsschicht 25 widerstehen sollte,
sein. Für eine Potentialdifferenz von etwa 50 V sollte
zum Beispiel die Gate-Feld-Isolationsschicht 25 eine Dicke
von mindestens 50 nm bis 60 nm aufweisen.
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Ferner
sollte der obere Rand 27 der Feldelektrode 22 oberhalb
des oberen Rands 17 der Feldelektrode 10 angeordnet
werden, um sicherzustellen, dass die Dichte der isoelektrischen
Potentiallinie auch bei mäßigen Source-Drain-Spannungen
in der Nähe der Kontaktregion 40 höher
als in der Nähe des Bodens der ersten Gräben 10 ist.
Dadurch wird die elektrische Feldstärke örtlich
in den Kontaktregionen 40 im Vergleich zu der Feldstärke
an dem Boden der ersten Gräben 10 vergrößert,
um sicherzustellen, dass der Durchbruch in der Nähe der
Kontaktregion auftritt. Bei bestimmten Ausführungsformen
kann der obere Rand 27 der Feldelektrode 22 oberhalb
des unteren Rands (erster pn-Übergang) der Bodyregion 33 angeordnet
werden.
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Genauer
gesagt sollte der obere Rand 27 der Feldelektrode 22 des
zweiten Grabens 20 oberhalb des unteren Endes 41 der
Kontaktregion 40 angeordnet werden, um die Dichte der isoelektrischen
Potentiallinien in der Nähe der Kontaktregion 40 noch
weiter zu vergrößern. Bei bestimmten Ausführungsformen
kann die Feldelektrode 22 des zweiten Grabens 20 deshalb
einen oberen Rand aufweisen, der der ersten Oberfläche 51 zugewandt
ist, und kann oberhalb des unteren Endes 41 der Kontaktregion 40 angeordnet
werden, die in dem Halbleitersubstrat 2 zwischen angrenzenden
Gräben gebildet wird, um eine elektrische Verbindung mit
der Bodyregion 33 bereitzustellen.
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Darüber
hinaus verringert eine Reduktion des lateralen Abstands angrenzender
Gräben die Dichte der isoelektrischen Potentiallinien an
den Böden der Gräben. Dicht beabstandete Gräben
mit Feldelektroden auf Sourcepotential vermeiden ein tiefes Eindringen
des elektrischen Feldes in die Mesastrukturen 54 und verringern
somit die Krümmung des elektrischen Feldes an den Böden
des Grabens.
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Die
oben beschriebenen Strukturmerkmale können abhängig
von spezifischen Bedürfnissen entweder in separaten Halbleiterbauelementen
realisiert oder in einem einzigen Halbleiterbauelement kombiniert
werden.
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Als
Folge der vergrößerten Dicke der Gate-Feld-Isolationsschicht 26 und
der Anordnung der Oberrandanordnung der Feldelektrode erstreckt sich
die Gateelektrode 21 der zweiten Gräben 20 in der
Regel nicht so weit wie die Gateelektrode 11 der ersten
Gräben in Vertikalrichtung. Genauer gesagt weist jede Gateelektrode 11, 21 einen
unteren Rand 16 bzw. 26 auf, der der zweiten
Oberfläche 52 zugewandt ist. Der untere Rand 16 der
ersten Gateelektrode 11 definiert eine Referenzebene, die
parallel zu der ersten Oberfläche 51 verläuft.
Der untere Rand 26 der Gateelektrode 21 des zweiten
Grabens 20 ist oberhalb der Referenzebene angeordnet. Genauer gesagt
wird der untere Rand 26 der Gateelektrode 21 oberhalb
des zweiten pn-Übergangs 36 angeordnet, der dem
unteren Rand der Bodyregion 33 entspricht und ist um einen
Abstand d2 davon beabstandet. Der untere Rand 26 der Gateelektroden 21 des
zweiten Grabens wird dagegen in einem Abstand d1 von dem ersten
pn-Übergang 35 angeordnet, der dem oberen Rand
der Bodyregion 31 entspricht (siehe 2). Der
Abstand d1 ist in der Regel größer als der Abstand
d2, und das Verhältnis zwischen d2:d1 kann von etwa 1:1
bis zu etwa 1:100 betragen.
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Diese
Anordnung führt zu einer vergrößerten Überlappung
der Gate-Feld-Isolationsschicht 25 des zweiten Grabens 20 mit
der Bodyregion 33 in Vertikalrichtung, was zu einer vergrößerten
Schwellenspannung des zweiten Grabens 20 führt.
Die vergrößerte Schwellenspannung bewirkt eine
verzögerte Bildung eines leitfähigen Kanals zwischen
der Source- und Driftregion 31 und 34 im Vergleich
mit der Kanalbildung des ersten Grabens 10, wenn dieselbe Spannung
an die Gateelektroden 11 bzw. 21 angelegt wird.
Eine Verzögerung der Kanalbildung verbessert die Charakteristik
des sicheren Betriebsbereichs (SOA) des Halbleiterbauelements 1.
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Die
Dicke der Gateisolationsschicht 23 des zweiten Grabens 20 kann
alternativ dazu vergrößert werden, um Kanalbildung
sogar zu vermeiden, wenn die Gatespannung angelegt wird. Zum Beispiel
kann die Gateisolationsschicht 23 dieselbe Dicke wie die Feldisolationsschicht 24 aufweisen,
wodurch das Herstellungsverfahren vereinfacht würde. Bei
Verwendung einer dicken Gateisolationsschicht 23 kann die
Gateelektrode 21 des zweiten Grabens 20 auch auf
Sourcepotential oder einem beliebigen anderen Potential, wie etwa
Drain- oder Gatepotential, oder auf einem dazwischenliegenden Potential
betrieben werden. In diesem Fall ist der zweite Graben 20 in Bezug
auf seine Fähigkeit, Kanalbildung zu verursachen, "deaktiviert".
Anders ausgedrückt können die ersten und zweiten
Gräben jeweils eine Gateisolationsschicht zum elektrischen
Isolieren der jeweiligen Gateelektroden von dem Halbleitersubstrat
durch die Gateisolationsschicht aufweisen, wobei die Gateisolationsschicht
des zweiten Grabens dicker als die Gateisolationsschicht des ersten
Grabens ist.
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In
beiden Fällen weisen die ersten und die zweiten Gräben 10, 20 verschiedene
Schwellenspannungen auf, wobei die Schwellenspannung des zweiten
Grabens 20 höher als die Schwellenspannung des
ersten Grabens 10 ist. Anders ausgedrückt, können
die ersten und zweiten Gräben jeweilige Schwellenspannungen
zur Bildung eines leitfähigen Kanals in der Bodyregion
neben den jeweiligen Gateelektroden aufweisen, wobei die Schwellenspannungen
des zweiten Grabens höher als die Schwellenspannung des
ersten Grabens sind.
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Im
Vorwärtsmodus bzw. Durchlassmodus trägt der deaktivierte
zweite Graben 20 nicht zu dem Laststrom zwischen Source-
und Drainregionen 31, 32 bei. Dadurch vergrößert
sich der durch alle Zellen des Leistungshalbleiterbauelements 1 definierte Durchlasswiderstand
(Gesamtwiderstand im Ein-Zustand) geringfügig. Um den Einfluss
der deaktivierten zweiten Gräben 20 zu reduzieren,
sollte der Anteil der zweiten Gräben 20 mit Bezug
auf die ersten Gräben 10 klein gehalten werden.
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Zweite
Gräben 20 mit einer Struktur, die zu einer verzögerten
Kanalbildung oder einer Kanalbildung bei höheren Spannungen
führt, vergrößern den Durchlasswiderstand
auch etwas, aber zu geringerem Grad als deaktivierte zweite Gräben 20.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen wird zum Betrieb des Halbleiterbauelements
ein erstes elektrisches Potential an die erste Dotierungsregion 31 und
jede der Feldelektroden 12, 22 der ersten und zweiten
Gräben angelegt. An die zweite Dotierungsregion 32 wird
ein zweites elektrisches Potential angelegt. Mindestens die Feldelektrode 22 des
zweiten Grabens 20 wird vorübergehend von dem
ersten elektrischen Potential getrennt und das zweite elektrische
Potential wird an die Feldelektrode 22 des zweiten Grabens 20 angelegt,
während die Feldelektrode 12 des ersten Grabens 10 auf
dem ersten elektrischen Potential gehalten wird. Die Feldelektrode 22 des
zweiten Grabens wird daher abwechselnd mit dem ersten und dem zweiten
elektrischen Potential verbunden. Das Tastverhältnis zum
vorübergehenden Verbinden des zweiten elektrischen Potentials mit
der Feldelektrode 22 des zweiten Grabens 20 kann
gemäß spezifischen Bedürfnissen ausgewählt werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Tastverhältnis
so ausgewählt, dass Lawinendurchbruch in der Nähe
der Böden der Gräben 10, 20 wie
oben erläutert vermieden wird.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform umfasst ein Halbleiterbauelement
ein Halbleitersubstrat 2 mit einer ersten Oberfläche 51 und
einer zweiten Oberfläche 52, die gegenüber
der ersten Oberfläche 51 angeordnet ist, eine
in dem Halbleitersubstrat 2 an der ersten Oberfläche 51 gebildete
erste Dotierungsregion 31, eine in dem Halbleitersubstrat 2 an
der zweiten Oberfläche 52 gebildete zweite Dotierungsregion 32 und
eine dritte Dotierungsregion 33 in Kontakt mit der ersten
Dotierungsregion 31. Die dritte Dotierungsregion 33 weist
den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die erste Dotierungsregion 31 auf. Die
erste Dotierungsregion 31 kann eine Sourceregion, die zweite
Dotierungsregion 32 eine Drainregion und die dritte Dotierungsregion 33 eine
Bodyregion sein. In dem Halbleitersubstrat 2 sind mindestens
ein erster und ein zweiter Graben 10, 20 gebildet
und erstrecken sich durch die dritte Dotierungsregion 33. Die
ersten und zweiten Gräben 10, 20 sind
lateral voneinander beabstandet, um dazwischen eine Messstruktur 54 zu
bilden. Die ersten und zweiten Gräben 10, 20 enthalten
mindestens eine Feldelektrode 12, 22. In der Messstruktur 54 ist
zwischen angrenzenden Gräben 10, 20 eine
Kontaktregion 40 zur Bereitstellung einer elektrischen
Verbindung zur dritten Dotierungsregion 33 gebildet. Die
Feldelektrode 12 des zweiten Grabens besitzt einen der
ersten Oberfläche 51 zugewandten oberen Rand 27 und
ist über ein unteres Ende 41 der Kontaktregion 40 angeordnet.
Der erste Graben 10 kann eine über der Feldelektrode 12 angeordnete
Gateelektrode 11 enthalten. Zusätzlich dazu kann
der zweite Graben eine über der Feldelektrode 22 angeordnete
optionale Gateelektrode 21 aufweisen. Die Gateelektrode 21 kann durch
Anordnen einer mindestens teilweise dicken Gateisolationsschicht 23 zwischen
der Gateelektrode 21 und dem Halbleitersubstrat elektrisch
deaktiviert werden. Im Unterschied dazu ist die Gateelektrode 11 des
ersten Grabens 10 in der Regel elektrisch aktiv, d. h.
fähig zur Bildung eines leitfähigen Kanals in der
dritten Halbleiterregion 33, wenn eine geeignete Spannung
an die Gateelektrode 11 angelegt wird. Zu diesem Zweck
wird die Gateelektrode 11 durch eine vergleichsweise dünne
Gateisolationsschicht 13 von der dritten Halbleiterregion 33 isoliert.
In diesem Fall definieren beide Gateelektroden 11, 21 verschiedene Schwellenspannungen,
wobei die Schwellenspannung der Gateelektrode 21 größer
oder sogar signifikant größer als die Schwellenspannung
der Gateelektrode 11 ist. Als Alternative können
die Gateisolationsschichten 13, 23 beider Gräben 10, 20 im
Wesentlichen dieselbe Dicke aufweisen.
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3 zeigt
eine Ausführungsform mit einem zweiten Graben 20 mit
einem deaktivierten zweiten Graben 20 durch Verwendung
einer dicken Gateisolationsschicht 23. Ferner wird die
Sourceregion 31 so gebildet, dass sie beabstandet zum zweiten
Graben 20 angeordnet ist. Das Schaltelement 60 dieser
Ausführungsform ist eine Zenerdiode mit einer Zenerdurchbruchsspannung
von etwa 90% der nominalen Drainspannung oder der Lawinendurchbruchspannung.
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Die
Feldelektroden 22 aller umschaltbaren Gräben 20 können
mit einer gemeinsamen Steuerkontaktstelle bzw. Steuerpad 73 verbunden
werden, mit der ein das Schaltelement 60 bildendes integriertes
Bauelement verbunden wird, wodurch eine kurze zeitliche Verbindung
mit dem Drainpotential möglich wird.
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Eine
weitere Ausführungsform ist in 5 gezeigt,
die einen zweiten Graben 20 mit einer dünnen Gateisolationsschicht 23 aufweist,
die im Wesentlichen dieselbe Dicke wie die Gateisolationsschicht 13 des
ersten Grabens 10 aufweist. Da sich die Drainregion 31 bei
dieser Ausführungsform jedoch nicht lateral zu dem zweiten
Graben 20 erstreckt, trägt der zweite Graben 20 im
Vorwärtsmodus nicht zu dem Laststrom bei.
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In
der Nähe und im Kontakt der Drainregion 32 wird
eine Feldstoppregion 35 gebildet, die eine Dotierungskonzentration
aufweist, die zwischen der Dotierungskonzentration der Driftregion 34 und
der Dotierungskonzentration der Drainregion 32 liegt. Die Feldstoppregion 35 weist
dieselbe Leitfähigkeit wie die Driftregion 34 auf.
Feldstoppschichten werden auch für IGBT verwendet und bilden
dann einen weiteren pn-Übergang mit der Emitterregion 32 entgegengesetzter
Leitfähigkeit.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform mit einem deaktivierten zweiten
Graben 20 durch Verwendung einer Gateisolationsschicht 23,
die eine Dicke aufweist, die größer als die Dicke
der Gateisolationsschicht 13 des ersten Grabens 10 ist.
Diese Ausführungsform zeigt auch einen an der zweiten Oberfläche 52 gebildeten
Drainkontakt 72 und einen an der ersten Oberfläche 51 gebildeten
Sourcekontakt 71. Der Drain- und der Sourcekontakt 71, 72 sind in
der Regel beide eine Metallisierungsschicht aus einem geeigneten
Metall oder einer geeigneten Legierung. Der Sourcekontakt 71 kann
auch elektrisch mit den Kontaktregionen 40 verbunden sein
und wird durch eine Isolationsschicht 74 von den Gräben 10, 20 isoliert.
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Es
muss nicht erwähnt werden, dass die Feldstoppschicht 35 und
die Metallisierungsschichten 71 und 72 auch mit
beliebigen anderen hier beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden können.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform. Jeder dritte Graben 20 dieses
Halbleiterbauelements 1 ist dafür ausgelegt, umschaltbar
zu sein, so dass etwa 33% aller Gräben den zweiten Gräben 20 entsprechen.
Die Struktur der ersten und zweiten Gräben 10, 20 und
der Sourceregion 31 entsprechen den jeweiligen in Verbindung
mit 2 beschriebenen Strukturen. Die optionalen stark
dotierten Regionen 37 werden bei dieser Ausführungsform
nicht gebildet, können aber gebildet werden, wenn es erwünscht
ist. Falls keine stark dotierten Regionen 37 gebildet werden,
bildet die untere Seite der Kontaktregionen ihren unteren Rand 41.
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8 zeigt
ein Halbleiterbauelement 1, bei dem etwa 25% aller Gräben
dafür ausgelegt sind, umschaltbar zu sein (jeder vierte
Graben). Die umschaltbaren Gräben (zweiten Gräben) 20 enthalten eine
dicke Gateisolationsschicht, die die zweiten Gräben 20 deaktiviert,
so dass die zweiten Gräben 20 im Vorwärtsmodus
(Durchlassmodus) nicht zu dem Laststrom beitragen.
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Der
Einfachheit halber sind die Drainregion 32, der Sourcekontakt 71,
der Drainkontakt 72, die Steuerkontaktstelle bzw. Steuerpad 73 und
das Schaltelement 60 in 7 und 8 nicht
gezeigt.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements wird nun in
Verbindung mit 12A bis 12D beschrieben.
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Es
wird ein Halbleitersubstrat 2 bereitgestellt, und durch
anisotropes Ätzen werden Gräben 10, 20 gebildet
(12A).
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Dann
werden die Feldisolationsschichten 14, 24 durch
Abscheiden eines isolierenden Materials oder Oxidation von Halbleitermaterial
gebildet, gefolgt von der Bildung der Feldelektroden 12 bzw. 22. Die
Feldelektroden 12, 22 können aus stark
dotiertem Polysilizium hergestellt werden. Die Lage des oberen Rands 17, 27 der
jeweiligen Feldelektroden 12, 22 kann durch verschiedene Ätzzeiten
definiert werden, die zum Zurückätzen des abgelagerten
Polysiliziums verwendet werden.
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In
einem weiteren Schritt werden die jeweiligen Gate-Feld-Isolationsschichten 15, 25 durch
Abscheiden einer Isolationsschicht oder Oxidieren von oberen Teilen
der Feldelektroden 12 bzw. 22 gebildet. Die Gate-Feld-Isolationsschichten 15, 25 können
dieselbe Dicke aufweisen, oder die Gate-Feld-Isolationsschicht 25 des
zweiten Grabens 20 kann so gebildet werden, dass sie eine
Dicke aufweist, die die Dicke der Gate-Feld-Isolationsschicht 15 der
ersten Gräben 10 übersteigt. Verschiedene
Dicken lassen sich durch separate Ablagerungsprozesse oder durch
Ablagern einer zusätzlichen Isolationsschicht in die zweiten
Gräben 20 erzielen.
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In
weiteren Schritten werden die Gateisolationsschichten 13, 23 und
die Gateelektroden 11, 21 gebildet.
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Wie
in 12C gezeigt, werden die Source-, Body- und Drain-(Emitter-)Regionen 31, 33 bzw. 32 durch
Implantation und thermisches Ausheilen gebildet. Außerdem
werden die Kontaktregionen 40 durch Ätzen von Öffnungen
in die Mesastrukturen 54 und Füllen dieser mit
stark dotiertem Polysilizium gebildet. Stark dotierte Regionen 37 werden
durch Implantation vor dem Abscheiden des stark dotierten Siliziums
gebildet.
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Die
Reihenfolge der obigen Schritte kann gemäß spezifischer
Anforderungen geändert werden. Zum Beispiel können
die Source- und Bodyregionen 31, 33 vor der Bildung
der Gräben 10, 20 oder während
Zwischenschritten, in denen die Feldelektroden 12, 22 oder
die Gateelektrode 11, 21 noch nicht fertig gestellt
sind, gebildet werden.
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Als
Letztes werden der Drainkontakt 72, der Sourcekontakt 71 und
der Steuerkontakt 73 durch Ablagern jeweiliger Metallschichten
gebildet (12D).
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Nachfolgend
soll der Aufbau eines Schaltelements sowie die Ansteuerung der Feldelektrode
näher erläutert werden. Dabei soll zunächst
noch einmal das Schalten der Durchbruchseigenschaften eines Halbleiterbauelements
unter Bezug auf 4A, 4B und 13 erläutert
werden.
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In 4A liegen
die Sourceregionen 31 auf Sourcepotential. Bei Anlegen
von Sourcepotential S an die Feldelektrode 22, erfolgt
der Durchbruch bei a, insbesondere bei Halbleiterbauelementen vom
Dichtgrabenkonzept (dense trench concept). Die an die Feldelektrode
angelegte Spannung soll mit VFP bezeichnet
werden. Durch Ladungseinbau während eines transienten Lawinendurchbruchs
kann sich der Durchbruchsort entlang der gestrichelten Linie 3 von a
nach b, d. h. in Richtung zur Kontaktregion 40 verschieben.
Durch den Einbau von Ladungen verändert sich auch die Durchbruchsspannung
des Halbleiterbauelements. Transiente Lawinendurchbrüche können
auch zu Veränderungen von Grenzflächenzuständen
an einer Grenzfläche zwischen Halbleiter und einer Isolationsschicht,
beispielsweise einem Oxid, führen. Obwohl in 4A und 4B der
Einfluss von Lawinendurchbrüchen auf die Durchbruchsspannung
erläutert ist, können sich der Einbau von Ladungsträgern
bzw. die Veränderung von Grenzflächenzuständen
auch auf andere Bauteileigenschaften auswirken, beispielsweise die
Einsatzspannung eines Transistors, generell die Durchbruchsspannung
einer Struktur und die Bipolarverstärkung eines Transistors.
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Transiente
Lawinendurchbrüche bei a (4A) können
aktiv beispielsweise durch Schalten der Feldelektrode 22 verhindert
oder zumindest reduziert werden. Dazu wird die Feldelektrode 22 mit
einer in Bezug zur Sourceregion 31 positiven Spannung beaufschlagt,
VFP ist also größer als
0. Bei ausreichend hoher Spannung wird der Durchbruchsort zur Kontaktregion 40 verschoben,
d. h. der Durchbruch findet bei b in 4B statt.
Dadurch wird ein Ladungseinbau in die angrenzende Feldisolationsschicht 24 und
damit ein Verschieben der Durchbruchsspannung vermieden. Das Schalten
erfolgt in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Halbleiterbauelements,
im Fall eines DMOS-Transistors beispielsweise die Source-Drain-Spannung.
Zur Ansteuerung dient das Schaltelement 60, der beispielsweise
die Feldelektrode 22 so ansteuert, dass der Durchbruch
an einem anderen Ort stattfindet und dadurch negative Auswirkungen
von Lawinendurchbrüchen vermindert werden. Das Halbleiterbauelement weist
damit eine deutlich geringere oder praktisch keine Drift in seinen
typischen Eigenschaften mehr aus. Insbesondere ein Driften der Durchbruchsspannung
kann damit wirkungsvoll verringert bzw. vermieden werden.
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13 veranschaulicht
den Zusammenhang zwischen Feldelektrodenspannung VFP und
Durchbruchsort sowie Durchbruchsspannung. Das Bezugspotential für
die Feldelektrodenspannung VFP ist das an
der Sourceregion anliegende Sourcepotential. Entspricht VFP dem Sourcepotential, d. h. VFP =
0, liegt der Durchbruchsort bei a. Dies gilt auch bei Anlegen einer
gegenüber Sourceregion 31 negativen Spannung,
d. h. VFP < 0
V. Bei schwach positiver Feldelektrodenspannung bleibt der Durchbruchsort weiterhin
bei a. Wie in 13 weiterhin erkennbar ist,
nimmt die Durchbruchsspannung VBD mit kleiner werdender
Feldelektrodenspannung VFP ab, d. h. der Durchbruch
findet bereits bei geringerer Sperrspannung statt. Wird die Feldelektrodenspannung
VFP zunehmend positiv, erfolgt ein Verschieben
des Durchbruchsorts zu b. Die nun gegenüber der Sourceregion
positive Feldelektrode "schiebt" das elektrische Feld in Richtung
zur Kontaktregion 40. der Durchbruch findet bei b statt.
Wie in 13 dargestellt, sinkt mit zunehmend
positiver Feldelektrodenspannung VFP die
Durchbruchsspannung, d. h. ein Durchbruch findet bei b bereits bei
geringer Sperrspannung statt. Dieser Umstand kann nun ausgenutzt
werden und durch Umschalten des Feldelektrodenpotentials der Durchbruch
zwischen a und b hin- und hergeschaltet werden.
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In 13 ist
angedeutet, dass die Feldelektrodenspannung zwischen 0 V und etwa
10 V geschaltet wird. Dies entspricht den Durchbruchsspannungen
bei 5 und 6 in der in 13 gezeigten Kurve. Da bei 6
die Durchbruchspannung geringer als bei 5 ist, tritt der Durchbruch
auch zuerst an der Kontaktregion 40 neben den geschalteten
Feldelektroden auf. Im Bereich von nicht-geschalteten Feldelektroden,
d. h. den Feldelektroden der ersten Gräben 10,
bleibt der Ort mit der höchsten Feldstärke bei
a. Da allerdings dort ein Durchbruch erst bei höherer Durchbruchsspannung
VBD auftreten würde, ist sichergestellt,
dass der Durchbruch im Bereich der Kontaktregion 40, d.
h. bei b, stattfindet. Die schaltbare Feldelektrode 20 wird
daher mit einem Potential beaufschlagt, das zum Einen ein Umschalten
des Durchbruchsorts herbeiführt und zum Anderen sicherstellt, das
der Durchbruch auch im Bereich der Kontaktregion 40 auftritt.
Die Feldelektrodenspannung wird daher so gewählt, dass
der Durchbruch, wenn die Feldelektrode 20 geschaltet ist,
bei b und nicht bei a ungeschalteter Feldelektroden stattfindet.
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Das
Umschalten findet typischerweise statt, bevor es zum Durchbruch
kommt. Dabei sollte ein möglichst sprunghaftes oder diskretes
Umschalten angestrebt werden, d. h. die Feldelektrodenspannung VFP sollte sprunghaft zwischen beispielsweise
0 V und 10 V und wieder zurück geschaltet werden. Typische
Schaltzeiten, d. h. die Zeit, um von einer auf die andere Spannung
zu schalten, beispielsweise von 0 V auf 10 V zu schalten, können
etwa im Bereich von ca. 100 ns bis etwa 1 ms liegen. Die jeweiligen geeigneten
Schaltzeiten hängen von der jeweiligen Applikation sowie
der konkreten Ausgestaltung des Halbleiterbauelements ab. Ein schnelles
Umschalten sichert, dass der Durchbruchsort zuverlässig
"gewechselt" wird. Außerdem können dadurch auch Schaltspitzen,
die durch induktive Lasten verursacht werden, beherrscht werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen von Schaltelemente bzw. Ansteuerschaltungen
beschrieben. Die Schaltelemente können als externe Baugruppen
bzw. Bauelemente ausgeführt oder in das Halbleiterbauelement
teilweise oder vollständig monolithisch integriert sein.
Die an die Feldelektrode angelegte Spannung wird vom Schaltelement
bzw. der Ansteuerschaltung bereitgestellt.
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In 14 bis 20 sind
Ausführungsformen von Ansteuerschaltungen (Schaltelemente)
gezeigt, die bei einer festen Schwellspannung ein Umschalten des
Feldelektrodenpotentials bewirken. Dabei ist es möglich,
dass durch geeignete Dimensionierung der Ansteuerschaltung, insbesondere
der in der Ansteuerschaltung enthaltenen Bauelemente, ein mindestens
teilweiser "Gleichlauf' der Temperaturabhängigkeit von
Lastbauelement und Ansteuerschaltung erreicht werden kann.
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14A zeigt einen möglichen prinzipiellen Aufbau
eines beispielsweise externen Schaltelements 60. Mit 1
ist eine Zelle bzw. alle mit einer schaltbaren Elektrode bzw. Feldelektrode
ausgestatteten Zellen, eines Halbleiterbauelements, im vorliegenden
Fall eines Feldeffekttransistors, und mit 4 die zu schaltende Last
bezeichnet. G bezeichnet den Gateanschluss, S den Sourceanschluss
und D den Drainanschluss der Zelle des Feldeffekttransistors. Mit
FP ist die schaltbare Feldelektrode bezeichnet. VDS ist
die zwischen Source und Drain anliegende Spannung. Die Feldelektrode
FP liegt normalerweise auf Sourcepotential. Die am Halbleiterbauelement 1 anliegende
Spannung VDS wird mit einer Referenzspannung
verglichen. Bei Erreichen eines Schwellwerts schaltet das Schaltelement 60 die
Feldelektrode FP auf ein geeignetes Potential. Dies kann kontinuierlich
oder diskret erfolgen. Optional ist es möglich, den Einfluss
der Betriebstemperatur T zu berücksichtigen, das diese
sich auf die Bauteileigenschaften auswirkt.
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Beispielsweise
ist es möglich, kontinuierlich das elektrische Potential
der Feldelektrode FP zu verändern, wie es mit Kurve 7 in 14B angedeutet ist. Wie bereits oben erläutert
ist es bei vielen Anwendungen jedoch günstig, sprunghaft
oder diskret bei Erreichen der Schwellspannung zu schalten. Dies
ist mit Kurve 8 in 14B angedeutet.
Das Schaltverhalten kann jedoch auch einen Hystereseverlauf aufweisen.
In diesem Fall entspricht das Schalten den Kurven 8 und 9 in 14B. Beim kontinuierlichen Schalten kann der Anstieg
der an der Feldelektrode FP anliegenden Spannung auch bereits vor
der eigentlichen Schwellspannung beginnen. Dabei sollte sichergestellt
werden, dass der Durchbruch sicher nach b verschoben wird.
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Die
hier gezeigten Ausführungsformen gelten für n-FETs.
Bei p-FETs sind die Verhältnisse umgekehrt. Es versteht
sich von selbst, dass diese Ausführungsformen auch für
IGBTs gelten.
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15A zeigt eine konkrete Ausführungsform,
bei der das Schaltelement 60 durch eine, zwei oder mehrere
in Reihe geschaltete Zenerdioden ZD realisiert ist, die über
einen Widerstand R als Pulldownelement mit Sourcepotential verbunden
sind und die Drainspannung abgreifen. Zenerdioden ZD und Widerstand
R bilden einen Spannungsteiler zum Einstellen der an der Feldelektrode
FP anliegenden Spannung. Übersteigt die Source-Drain-Spannung VDS einen gegebenen Wert, der sich aus Durchbruchsspannung
der Zenerdioden und dem Widerstand R ergibt, brechen die Zenerdioden
durch. Dadurch wird die Feldelektrode FP auf ein Potential nahe
Drainpotential gezogen. Durch Verwendung des Spannungsteilers verändert
sich die an der Feldelektrode FP anliegende Spannung mit weiter
steigender Source-Drain-Spannung VDS. Zenerdioden führen
daher zu einem eher kontinuierlichen Schaltverhalten.
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15B zeigt die Ausführungsform von 15A mit separater Stromquelle SQ anstelle des Widerstands
R. Diese stellen jeweils ein Pulldownelement dar. Die Kennlinie
des Schaltelements in 15A und 15B entspricht etwa dem Verlauf der Kurve 7 in 14B.
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16 zeigt
eine Ausführungsform mit eher diskretem Schaltverhalten.
Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines DIACs anstelle einer
Zenerdiode erreicht werden. Anstelle des Widerstands R kann auch
hier eine Stromquelle SQ verwendet werden. DIACs haben den Vorteil,
dass sie erst bei Erreichen der Durchbruchsspannung leitfähig
werden und sehr steile Schaltflanken ermöglichen. 17 zeigt eine
Kombination aus DIAC mit in Reihe geschalteter Zenerdiode ZD. Auch
hier kann an Stelle des Widerstands R eine Stromquelle verwendet
werden. Außerdem ist bei dem in 17 gezeigten
Schaltelement sowohl die Ansprechspannung, d. h. der Schwellwert,
als auch die Sprungamplitude durch Verwendung von DIAC und Zenerdiode
wählbar. Dies ermöglicht eine große Flexibilität
bei der Ausgestaltung der elektrischen Eigenschaften.
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18 zeigt
eine Ausführungsform des Schaltelements, die vergleichbar
mit der in 17 gezeigten Ausführungsform
ist. Im Unterschied zu dieser ist eine Kapazität C parallel
zum DIAC geschaltet. Die Kapazität soll bei steilen Flanken
der Drain-Source- Spannung ein Triggern des DIACs auf Grund hoher
Spannungsänderungen (dU/dt) vermeiden. Die Kennlinie der
in 16 bis 18 gezeigten
Schaltelemente entspricht etwa dem Verlauf der Kurven 8 und 9 in 14B, da die Kennlinie eines DIACs zu dem Hystereseverlauf
führen kann.
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Alternativ
zum DIAC kann auch ein Bipolartransistor verwendet werden, wobei
hier der Durchbruch zwischen Kollektor und Emitter als Trigger ausgenutzt
wird. Da ein DIAC in seiner einfachsten Ausführung als
3-schichtige Diode implementiert sein kann, kann er als ein Bipolartransistor
mit floatender Basis angesehen werden. DIACs können auch
als 4- oder 5-schichtiges Bauelement ausgebildet sein.
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Das
Schaltelement 60 umfasst daher gemäß einer
Ausführungsform ein Triggerelement. Das Triggerelement
kann zumindest ein bipolares Bauelement sein, das drei alternierend
dotierte Halbleiterbereiche aufweist, die zwei in Reihe geschaltete pn-Übergänge
bilden, beispielsweise DIACs oder TRIACs. Es ist aber möglich,
Triggerelemente mit 4 oder 5 alternierenden n- und p-Schichten zu
verwenden, beispielsweise Thyristoren oder sogenannte semiconductor-controlled
rectifier.
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Das
Schaltelement kann weiterhin einen Spannungsteiler aufweisen, der
das Triggerelement und ein Pulldownelement umfasst, beispielsweise
einen Widerstand bzw. eine Stromquelle. Der Spannungsteiler ist
parallel zu wenigstens einer Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements
geschaltet und definiert das an der Feldelektrode dieser Zelle anliegende
Potential. Der Spannungsteiler ist so ausgelegt, dass er bei Überschreiten
einer Schwellspannung die Feldelektrode auf ein Potential zieht,
das zwischen Source- und Drainpotential liegt. Dabei wird die Feldelektrode
typischerweise nur kurz auf das näher an Drain liegende
Potential gezogen, um die Durchbruchseigenschaften des Halbleiterbauelements
im Falle eines drohenden Durchbruchs zu ändern.
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Eine
mögliche monolithische Integration der in 17 gezeigten
Ausführungsform mit Widerstand R ist in 25 schematisch
am Beispiel eines Leistungstransistors mit einer Vielzahl von Zellen
mit in Gräben angeordneten Gateelektroden dargestellt. Der
Leistungstransistor, der ein Halbleiterbauelement darstellt, umfasst
erste und zweite Gräben, wobei die zweiten Gräben
eine schaltbare Feldelektrode aufweisen. Es ist auch möglich,
dass alle Gräben eine schaltbare Feldelektrode aufweisen.
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Ein
Halbleitersubstrat 302 umfasst eine hoch n-dotierte Drainregion 323 und
eine schwach n-dotierte Driftregion 334. Das Halbleitersubstrat 302 ist
in ein Zellenfeld ZF und ein peripheres Gebiet PG unterteilt. Im
Zellenfeld ist eine Vielzahl von FET-Zellen in Gräben 310 und 320 ausgebildet.
Schematisch dargestellte Gräben 310 entsprechen
hier den ersten Gräben und die schematisch dargestellten
Gräben 320 den zweiten Gräben. Die ersten
und zweiten Gräben weisen jeweils eine Feldelektrode 312 bzw. 322 auf.
Die ersten Gräben 310 weisen zusätzlich eine
Gateelektrode 311 auf. Die zweiten Gräben 320 können
ebenfalls Gateelektroden umfassen.
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Im
peripheren Gebiet PG ist eine Ansteuerschaltung bzw. ein Schaltelement 360 integriert.
Dieses umfasst einen Widerstand R, eine Zenerdiode ZD und ein DIAC,
bezeichnet als DIAC, die alle in Reihe geschaltet sind. Widerstand
R und Zenerdiode ZD sind in eine Polysiliziumschicht 358 ausgebildet. Diese
ist auf einer ersten Zwischenoxidschicht 356 angeordnet.
Die Polysiliziumschicht 358 umfasst einen p-dotierten Bereich 358a und
einen n-dotierten Bereich 358b, die zusammen einen pn-Übergang 358c bilden.
Der p-dotierte Bereich 358a bildet hier den Widerstand
R während der pn-Übergang 358c die Zenerdiode
ZD bildet. Der ohmsche Widerstandswert von Widerstand R kann durch
die Dotierung und/oder die geometrischen Abmessungen der Polysiliziumschicht 358 und
insbesondere des p-dotierten Bereichs 358a eingestellt
werden. Ebenso können die Eigenschaften, insbesondere die
Durchbruchseigenschaften der Zenerdiode durch geeignete Wahl der
Dotierungsverhältnisse eingestellt werden.
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Die
Polysiliziumschicht 358 ist mit einer zweiten Zwischenoxidschicht 357 bedeckt,
in der Öffnungen vorgesehen sind, die jeweils einen Kontakt
zum p-dotierten Bereich 358a und n-dotierten Bereich 358b ermöglichen.
Der p-dotierte Bereich 358a ist mit einer Sourcemetallisierung 371 elektrisch
leidend verbunden, während der n-dotierte Bereich 358b mit einer
lateralen Metallisierung 376 elektrisch leitend verbunden
ist. Letztere stellt eine leitende Verbindung zum DIAC her, der
in das Halbleitersubstrat 302 integriert ist, wobei dazu
eine p-Wanne 338 in das n-dotierte Halbleitersubstrat bzw.
Driftregion 334 implantiert und in die p-Wanne 338 eine
stark n-dotierte Wanne 339 implantiert ist. Lediglich die
n-dotierte Wanne 339 ist mit der lateralen Metallisierung 376 und
dadurch mit der Kathode der Zenerdiode, d. h. mit dem n-dotierten
Bereich 358b, verbunden.
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Die
elektrischen Eigenschaften des DIACs werden ebenfalls im Wesentlichen
durch dessen Dotierungsverhältnisse und Geometrie bestimmt
und lassen sich daher leicht einstellen. Typischerweise werden für
die Bildung des DIACs Dotierungsregionen verwendet, wie sie auch
typischerweise bei der Herstellung des Leistungshalbleiters entstehen.
So kann beispielsweise die p-Wanne 338 des DIACs gemeinsam
mit den Bodyregionen gebildet werden. P-Wanne 338 und Bodyregionen
weisen damit eine im Wesentlichen gleiche Dotierung auf. Ebenso
ist es möglich, dass die n-Wanne 339 des DIACs
zusammen mit den Sourceregionen hergestellt wird. Auch hier weist
dann die n-Wanne 339 im Wesentlichen die gleiche Dotierung
wie die Sourceregionen auf. Der DIAC kann ebenso in die Driftregion 334 integriert werden.
Dies hat den Vorteil, dass die Eigenschaften des pn-Übergangs
zwischen n-Wanne 339 und p-Wanne 338 des DIACs
im Wesentlichen den Eigenschaften des Source-Body-Übergangs
entspricht. Dies trifft auch für den pn-Übergang
zwischen p-Wanne 338 und Driftregion 334 zu, welche
im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie der Body-Drift-Übergang
hat.
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Es
ist auch möglich, den DIAC in der Polysiliziumschicht 358 oder
einer anderen Polysiliziumschicht durch Einbringen von entsprechenden
Dotierstoffen herzustellen.
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Die
Feldelektrode 322 greift das elektrische Potential zwischen
Widerstand R und Zenerdiode ZD ab. Die Feldelektrode 312 ist
dagegen fest mit der Sourcemetallisierung 371 verbunden.
Die Drainregion 323 weist für das Zellenfeld ZF
und das periphere Gebiet PG einen gemeinsamen Drainanschluss D auf.
Die Gateelektroden 311 der ersten Gräben 310 sind
mit einem Gateanschluss G verbunden.
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Die
in 25 gezeigte Integration kann beliebig modifiziert
werden. 25 zeigt eine Ausführungsform
mit planar ausgebildetem Widerstand R und planar ausgebildeter Zenerdiode
ZD. DIAC ist hier in das Halbleitersubstrat integriert. Alternativ
ist es beispielsweise möglich, den Widerstand R zumindest
teilweise in einen oder alle zweiten Gräben, oder auch
in andere Gräben, zu integrieren. Dazu wird beispielsweise
eine geeignete Polysiliziumschicht in den Gräben erzeugt.
Der Widerstand R kann daher planar auf dem Halbleitersubstrate oder
in Gräben realisiert werden.
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Ebenso
ist es möglich, die Zenerdiode ZD anstelle einer planaren
Ausführung in einem oder mehreren Gräben auszubilden.
Dies gilt ebenfalls für den DIAC. Es versteht sich von
selbst, dass beliebige Kombinationen dieser Ausführungsformen
möglich sind.
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Das
Schaltelement kann typischerweise am Rand des Halbleiterbauelements,
d. h. im Wesentlichen im peripheren Gebiet PG bzw. am Chiprand,
integriert werden. Dabei können auch die einzelnen Komponenten,
d. h. bei der hier vorgestellten Ausführungsform Widerstand
R, Zenerdiode ZD und DIAC, auch räumlich getrennt ausgebildet
werden. Elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten
werden dann durch geeignete leitende Schichten, beispielsweise hochdotierte
Polysiliziumbahnen oder Metallbahnen, hergestellt.
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Die
in den 14 bis 18 gezeigten
Ausführungsformen stellen sogenannte low-side Schaltelemente
dar, da sie das niedrigere Potential schalten. 19 und 20 zeigen
dagegen Ausführungsformen mit sogenannten high-side Schaltelementen,
d. h. diese schalten das hohe Potential. In diesen Ausführungsformen
ist die Last 4 zwischen Masse und dem Halbleiterbauelement 1 geschaltet. 19 zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit einem Spannungsteiler aus DIAC,
Zenerdiode ZD und Widerstand R, wohingegen bei 20 die
Reihenfolge lediglich umgekehrt ist. Außerdem zeigt 19 die Beschaltung
für einen p-FET während 20 die
für einen n-FET zeigt. 19 und 20 stellen
somit jeweils ein high-side Schaltelement analog zu dem in 17 gezeigten
low-side Schaltelement dar. Es versteht sich von selbst, dass auch
diese Schaltelemente analog zu der in 25 gezeigten
Ausführungsform geeignet in das Halbleitersubstrat integriert
werden können.
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Die
in den 14 bis 20 gezeigten
Ausführungsformen zeigen Schaltelemente, die bei einer fest
vorgegebenen Schwellspannung ein Umschalten bewirken. Die Schwellspannung
wird dabei von den Bauteileigenschaften der Triggerbauelemente, also
beispielsweise Zenerdiode, DIAC, Bipolartransistor oder Kombination
aus Zenerdiode und DIAC bestimmt. Die Schwellspannung kann temperaturabhängig
sein und damit den Temperaturschwankungen des Halbleiterbauelements
folgen. In einer Ausführungsform weist das Schaltelement
daher eine in Reihe geschaltete Kombination von Zenerdiode und DIAC
als Triggerelement auf. Die Reihenfolge von DIAC und Zenerdiode
bei allen oben dargestellten Ausführungsformen ist austauschbar.
Je nachdem, welche dieser Komponenten im Halbleitersubstrat, d. h.
dem Halbleitersubstrat, in dem das Halbleiterbauelement integriert
ist, integriert ist, bestimmt die Schaltungsreihenfolge.
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In
den 21 bis 23 werden
Schaltelemente gezeigt, welche eine variable Schwellspannung bieten.
Diese umfassen einen Durchbruchssensor, der einen bevorstehenden Durchbruch
registriert. In einer Ausführungsform wird der Durchbruchssensor
durch ein Sensorelement gebildet, das einen Aufbau hat, der dem
eigentlichen Lastelement ähnelt. Beispielsweise kann es
sich um eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements handeln,
die in ihrer Geometrie, Dotierung oder Potentialverteilung geringfügig
gegenüber den "normalen" Lastzellen verändert
ist, so dass die Sensorzelle beispielsweise eine Durchbruchsspannung
aufweist, die um einen bestimmten Betrag, beispielsweise einige
Volt, geringer ist als die Durchbruchsspannung der Lastzellen. Damit
kann ein "Gleichlauf" der Schaltspannung, bei der das Umschalten
erfolgen soll, mit der tatsächlichen Durchbruchsspannung
des Halbleiterbauelements, d. h. der Lastzellen, auch bei Variation
des Herstellungsprozesses und bei Variation der Temperatur erreicht
werden. Derartige Durchbruchssensoren sollten daher möglichst
in das Halbleiterbauelement monolithisch integriert werden. Beispielsweise kann
die Sensorzelle in einem dritten Graben ausgebildet sein und beispielsweise
im Wesentlichen die gleichen geometrischen Abmessungen wir die Lastzellen
oder die mit schaltbarer Feldelektrode ausgestatteten Zellen haben.
Durch Variation der Dotierung kann eine geringfügig geringere
Durchbruchsspannung erreicht werden. Es ist auch möglich,
durch Variation der geometrischen Abmessungen die Durchbruchsspannung
abzusenken.
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Da
ein Durchbruchssensor beispielsweise den gleichen Fertigungstoleranzen
und Temperaturschwankungen wie das eigentliche Halbleiterbauelement
unterworfen ist, genügt es, wenn die Durchbruchsspannung
des Durchbruchssensor nur geringfügig unterhalb der Durchbruchsspannung
der Lastzellen liegt, da beide Durchbruchsspanungen sich im gleichen
Verhältnis ändern. Dadurch kann das Umschalten
der Feldelektrode bei sehr hohen Sperrspannungen erfolgen.
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Bei
den Ausführungsformen nach 14 bis 20 sollte
dagegen immer ein zusätzlicher Sicherheitsbereich berücksichtigt
werden, damit auch bei Schwankung der Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements,
verursacht durch Herstellungstoleranzen usw., ein rechtzeitiges
Schalten der Feldelektroden gesichert ist. Beispielsweise sollten
die Zenerdiode und/oder DIAC so ausgebildet werden, dass auch bei
Schwankungen während der Herstellung, die zu einer leichten
Veränderung der Durchbruchsspannungen führen können,
immer gewährleistet ist, dass der Durchbruch von a nach
b verschoben wird, d. h. das Schalten erfolgt bereits bei einer
Schwellspannung, die hinreichend kleiner ist als die nominal Durchbruchsspannung
der Lastzellen.
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Bei
den Ausführungsformen nach 21 bis 23 ist
dieser Sicherheitsbereich nicht erforderlich, denn Fertigungsschwankungen
wirken sich auch im gleichen Maße auf das Sensorelement
aus, so dass dessen Durchbruchsspannung den Schwankungen folgt.
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Bei
der in 21 gezeigten Ausführungsform
wird als Durchbruchssensor ein MOSFET T2 verwendet, der in das Halbleiterbauelement,
beispielsweise in das Zellenfeld oder das periphere Gebiet integriert
ist. Die Absenkung der Durchbruchsspannung von T2 kann durch Veränderung
der Geometrie und/oder durch Variation der Dotierung der am Durchbruch
beteiligten Schichten erfolgen. Der Durchbruchssensor, hier als
T2 bezeichnet, ist hier so geschaltet, dass sein Feldelektrodenpotential gleich
seinem Sourcepotential ist. Der Durchbruch des Durchbruchssensor
T2 wird hier als Spannungsabfall über den Widerstand R
detektiert, der von der Funktionseinheit F ausgewertet wird. Gleichzeitig wirkt
der Widerstand R als Strombegrenzung für den Durchbruchssensor
T2. Mit T1 ist hier der Lasttransistor bezeichnet, dessen Feldelektrode
FP geschaltet werden soll. Es versteht sich von selbst, dass einige
oder ggf. auch alle Zellen des Lasttransistors jeweils eine schaltbare
Feldelektrode aufweisen können.
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Günstig
ist es, wenn das Feldelektrodenpotential des Durchbruchssensors
T2 ebenfalls geschaltet werden kann. Dies ist in 22 gezeigt.
Dadurch wird auch beim Durchbruchssensor T2 ein Durchbruch beim
Durchbruchsort a vermieden und so der Einbau von Ladungsträger
in die Feldisolationsschicht des Durchbruchssensor T2 verhindert. Die
Durchbruchsspannung des Durchbruchssensor T2 verändert
sich somit nicht über die Lebensdauer des Halbleiterbauelements.
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Es
ist auch möglich, die Feldelektrode FP des Durchbruchssensor
T2 separat anzusteuern. Da hierdurch auch die Durchbruchsspannung
des Durchbruchssensor T2 analog zur Kurve in 13 geändert
wird, führt dies zu einem vorzeitigen Durchbruch des Durchbruchssensors,
so dass das Umschalten bei entsprechend geringerer Spannung erfolgt.
Die Durchbruchsspannung des Durchbruchssensors T2 wird also durch
Schalten seiner Feldelektrode FP abgesenkt. Der Durchbruchssensor
T2 wird durch Ansteuerung seiner Feldelektrode FP so gesteuert,
dass er vor den Lastzellen T1 durchbricht und dadurch ein Umschalten
von deren Feldelektroden bewirkt. In diesem Fall ist es möglich,
den Durchbruchssensor T2 mit gleicher Geometrie und Dotierung wie
den Lasttransistor bzw. Lastzellen T1 auszubilden. Der Durchbruchssensor
T2 kann aber auch, wie bereits oben dargelegt, eine im Vergleich zum
Lasttransistor T1 geringere Durchbruchsspannung aufweisen, beispielsweise
durch Variation der Geometrie und/oder Dotierung. Aus Kostengründen wird
typischerweise die Geometrie verändert.
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Das
Umschalten des Feldelektrodenpotentials des Durchbruchssensors T2
kann von der Funktionseinheit F gesteuert werden, welche den Stromfluss
durch den Durchbruchssensor T2 registriert. Zusätzlich
oder alternativ ist es möglich, dass das Umschalten des
Feldelektrodenpotentials des Durchbruchssensors T2 auch extern initiiert
werden kann. Dadurch kann ein Durchbruch des Durchbruchssensors
T2, und damit ein Schalten der Feldelektroden der Lastzellen, auch
durch andere Ereignisse zusätzlich gesteuert werden. Dies
wird weiter unten an Hand des Schaltens einer induktiven Last beschrieben,
wobei dort ein Umschalten der Feldelektroden bereits zu einem sehr
frühen Stadium erfolgt, bei dem die Source-Drain-Sperrspannung
noch nicht in den Bereich eines Lawinendurchbruchs gestiegen ist.
Die Funktionseinheit F und/oder die Feldelektrode FP des Durchbruchssensor
T2 können daher mit einem externen Anschluss verbunden
sein.
-
Die
in 21 und 22 gezeigte
Funktionseinheit F übernimmt dabei die Registrierung des Durchbruchs
des Durchbruchssensor T2 und das Umschalten der Feldelektroden FP.
Die Funktionseinheit F kann eine separate oder ebenfalls integrierte
Ansteuereinheit sein.
-
In 23 ist
eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Feldelektrode
des Durchbruchssensors T2 zusammen mit der Feldelektrode des Lasttransistors
T1 geschaltet wird. Dadurch kann eine Verbindung zwischen Ansteuereinheit
F und Durchbruchssensor T2, d. h. dem als MOSFET ausgebildeten Sensorzelle,
eingespart werden. Alternativ kann der in 23 als
Stromquelle SQ ausgebildete Pulldown auch als Widerstand ausgebildet
sein. Die Stromquelle SQ als auch der Widerstand können
in das Halbleiterbauelement oder die Ansteuereinheit, die auch extern
sein kann, integriert sein. Die Kennlinie der Ansteuerung der Ausführungsformen
von 21 bis 23 kann
ebenfalls wieder sprunghaft (Kurve 8), mit Hysterese (Kurven 8 und 9)
oder auch kontinuierlich (Kurve 7), wie in 14B dargestellt, sein.
-
Die
Funktionseinheit F kann einen optionalen Steueranschluss 400 aufweisen,
der beispielsweise mit dem weiter oben beschriebenen Steuerpad 73 verbunden
sein kann. Dadurch lässt sich die Funktionseinheit F extern
ansteuern, beispielsweise wie im Zusammenhang mit 24A und B beschrieben. Die Funktionseinheit F
kann auch wahlweise mit dem Drainpotential oder sogar mit V+ verbunden sein,
damit die Funktionseinheit F die Feldelektroden FP mit einer entsprechenden
Spannung beaufschlagen kann. Die wahlweise Verbindung zum Drainpotential
oder V+ sind als gestrichelte Verbindungen in den Figuren eingezeichnet.
Grundsätzlich genügt es, wenn die Feldelektroden
mit einem zwischen Source- und Drainpotential liegenden Potential
beaufschlagt werden, sofern dieses Potential ein sicheres Umschalten
des Durchbruchsorts gewährleistet.
-
Die
oben vorgestellten Ausführungsformen des Schaltelements
können, beispielsweise in Abhängigkeit von der
jeweiligen Technologie und dem Typ des Halbleiterbauelements, teilweise
oder vollständig monolithisch in das Halbleiterbauelement
integriert werden. Es ist auch möglich, das Schaltelement
extern bereitzustellen und lediglich auf einem gemeinsamen Träger
mit dem Halbleiterbauelement zu integrieren.
-
Beispielsweise
können alle der oben dargestellten Ausführungsformen
monolithisch in ein POWER-BiCMOS Halbleiterbauelement integriert
werden.
-
In
einer reinen DMOS Technologie können durch Hinzufügen
beispielsweise einer Polysiliziumschicht, wie beispielsweise in 25 gezeigt,
die zur Herstellung des Schaltelements benötigten Komponente,
d. h. beispielsweise ein DIAC, eine Zenerdiode und ein Widerstand,
integriert werden.
-
Bei
Halbleiterbauelementen, die Polysiliziumschichten aufweisen, kann
alternativ auch das in Gräben befindliche Polysilizium
zur Ausbildung der Komponenten, bzw. eines Teils davon, verwendet werden.
-
Bei
der monolithischen Integration kann bei geeigneter Dimensionierung
und Dotierung von Z-Diode und DIAC eine ähnliche Temperaturabhängigkeit wie
die das Last-MOSFETs erreicht werden, so dass auch hier der Einfluss
der Temperatur auf das Durchbruchsverhalten zumindest teilweise
berücksichtigt wird. Auf diese Weise ist ein Leistungs-MOSFET oder
Leistungs-IGBT herstellbar, der wie vergleichbare herkömmliche
Leistungsbauelemente lediglich drei Anschlüsse aufweist,
aber eine erhöhte Robustheit hinsichtlich des repetitiven
Lawinendurchbruchs (avalanche breakdown) hat.
-
Das
Umschalten kann für alle Feldelektroden, insbesondere der
Lastzellen, oder auch nur für einen Teil dieser erfolgen.
-
Im
Zusammenhang mit 24A und 24B soll
nachfolgend ein an das Schalten des Halbleiterbauelements gekoppeltes
Schalten der Feldelektroden beschrieben werden. 24A gibt dazu eine Prinzipdarstellung von zu schaltendem Halbleiterbauelement,
induktiver Last L und ohmscher Last R. ID ist
der Laststrom und VDS die Source-Drain-Spannung.
Am Gateanschluss G liegt ein Schaltsignal an, beispielsweise ein
Rechteckimpuls.
-
24B zeigt dazu den zeitlichen Verlauf des Schaltsignals
am Gateanschluss, des Source-Drain-Spannung VDS,
des Laststroms bzw. des durch das Halbleiterbauelement fließenden
Stroms ID sowie der an der Feldelektrode
des Halbleiterbauelements anliegenden Spannung. Das hier gezeigte Schaltverhalten
gilt für das Schalten induktiver Lasten, kann jedoch auf
das Schalten verschiedenster Lasten ausgedehnt werden.
-
Bei
induktiven Lasten tritt beim Ausschalten des Halbleiterbauelements,
d. h. beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung, eine Spannungsspitze
auf. Diese äußert sich in einer Überhöhung von
VDS, wie in 24B gezeigt,
zum Zeitpunkt t2, in dem das Halbleiterbauelement,
im vorliegenden Fall beispielsweise ein MOSFET, in den Sperrzustand
geschaltet wird. Erst nach Abklingen des Laststroms ID zum
Zeitpunkt t3 sinkt VDS auf
V+, d. h. auf die nominale Sperrspannung.
In derartigen Fällen kann es zu einem transienten Lawinendurchbruch
auf Grund der kurzzeitig überhöhten Source-Drain-Spannung
zwischen t2 und t3 kommen.
Kurz vor dem Sperren des Halbleiterbauelements kann daher die an
den Feldelektroden anliegende Spannung VFP geschaltet
werden, um sicher vom Durchbruchsort auf den Durchbruchsort b, wie
in 4A und 4B dargestellt, umzuschalten.
Die Feldelektroden können auch mit einem gewissen zeitlichen
Abstand zum Sperren des Halbleiterbauelements wieder zurückgeschaltet
werden.
-
Beim
Einschalten von induktiven Lasten zum Zeitpunkt t1 werden
derartige Spannungspitzen nicht beobachtet, so dass dort einvorzeitiges
Schalten der Feldelektroden nicht erforderlich ist.
-
Das
"vorzeitige" Schalten der Feldelektroden kurz vor dem Zeitpunkt
t2 kann beispielsweise wie im Zusammenhang
mit 22 erläutert, durch extern getriggertes
Schalten der Feldelektrode des Durchbruchssensor T2 erfolgen. Selbstverständlich
ist es auch möglich, das vorzeitige Schalten anders zu
realisieren. Das vorzeitige Schalten kann beispielsweise um eine
Zeitspanne Δt von etwa 20 ns bis etwa 100 ms und insbesondere
von etwa 100 ns bis etwa 10 ms erfolgen. Das vorzeitige Schalten
ist applikationsabhängig, so dass auch noch kürzere
oder auch längere Zeitspannen als die angegebenen möglich
sind. Die oben vorgestellten Schaltelemente und deren konkrete Realisierung
können als externe Baugruppe, wie bereits dargelegt, ausgebildet
werden. In diesem Fall umfasst das Halbleiterbauelement zusätzlich
noch ein Steuerpad, mit dem die schaltbaren Feldelektroden verbunden
sind. Das Schaltsignal wird daher extern zugeführt.
-
Alternativ
oder zusätzlich kann die Ansteuerung über einen
Durchbruchssensor erfolgen, dessen Durchbruchsspannung im gleichen
Masse wie die Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements auf
Grund von Fertigungstoleranzen und Temperaturschwankungen schwankt.
Der Durchbruchssensor ist günstigerweise in das Halbleiterbauelement
monolithisch integriert. Der "Durchbruch" des Durchbruchssensors
kann weiterhin durch geeignetes Schalten seiner Feldelektrode, beispielsweise durch
ein externes Signal, getriggert werden, wodurch das Schalten der
Feldelektroden des Halbleiterbauelements bewirkt wird. Dadurch ist
es möglich, dass ein Schalten der Durchbruchseigenschaften des
Halbleiterbauelements nicht nur dann erfolgt, wenn die Sperrspannung
einen kritischen Wert übersteigt, sondern auch zu im Prinzip
beliebig anderen Zeitpunkten.
-
Es
können alle Feldelektroden, oder nur eine Teilmenge davon,
geschaltet werden. Beispielsweise genügt es, wenn nicht
mehr als 50% aller Feldelektroden geschaltet wird. In vielen Fällen
können es auch deutlich weniger sein.
-
Weiterhin
kann, wie oben dargelegt, wird ein dynamisches Schalten der Durchbruchseigenschaften
ermöglicht, dass beispielsweise bei bestimmten Schaltzuständen
erfolgt. Oben wurde dies am Beispiel des Ausschaltens einer induktiven
Last dargelegt, wobei dort kurz vor dem Beginn des Ausschaltens
bis zum vollständigen Abschalten des MOSFETs alle oder
ein Teil der Feldelektroden auf ein Potential geschaltet werden,
dass zwischen Source- und Drainpotential liegt.
-
Darüber
hinaus kann das Schaltelement so ausgelegt sein, dass es im Sperrfall
nur bei Überschreiten einer gewissen Schwellsperrspannung, beispielsweise
bei einem Wert, der etwa 85% der Nominalsperrspannung entspricht,
ein Umschalten der Feldelektroden bewirkt. Dadurch erfolgt ein Umschalten
nur zu diesen Zeitpunkten, so dass ansonsten das Halbleiterbauelement
nicht in seinen elektrischen Eigenschaften modifiziert ist. Die Feldelektroden
werden daher nur vorübergehend, typischerweise im zeitlichen
Zusammenhang mit einem drohenden Durchbruch, umgeschaltet.
-
Zusammengefasst
ermöglicht das in bestimmten Ausführungsformen
beschriebene Halbleiterbauelement die dynamische Änderung
seiner elektrischen Eigenschaften durch vorübergehendes Anlegen
eines elektrischen Potentials, das im Wesentlichen dem Drainpotential
entsprechen kann, an Feldelektroden ausgewählter Gräben.
Diese Feldelektroden werden mit einem Schaltelement verbunden, das
dafür ausgelegt ist, zwischen zwei elektrischen Potentialen
umzuschalten. Hierdurch kann der Ort eines Lawinendurchbruchs von
den Böden der Gräben zu den Kontaktregionen verlagert
werden. Anders ausgedrückt, kann das Halbleiterbauelement zwischen
Dichtgrabenregime und Feldelektrodenregime umgeschaltet werden.
-
Allgemeiner
ausgedrückt, wird eine umschaltbare Feldelektrode in der
Nähe eines pn-Übergangs angeordnet, um die Durchbrucheigenschaften dieses
pn-Übergangs zu ändern. Die Feldelektrode wird
zwischen elektrischen Potentialen umgeschaltet, die durch ein Schaltelement
angelegt werden können.
-
Eine
Steuerkontaktstelle (Steuerpad), die elektrisch mit der neben dem
pn-Übergang angeordneten Feldelektrode oder den Feldelektroden
der umschaltbaren Gräben verbunden ist und die an dem Halbleiterbauelement
angeordnet ist, ermöglicht das Anlegen verschiedener elektrischer
Potentiale mittels des Schaltelements.
-
Um
die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelements zu verbessern
und um sicherzustellen, dass der Lawinendurchbruch in der Nähe
der Kontaktregion auftritt, sollte der obere Rand der Feldelektrode der
umschaltbaren Gräben oberhalb des unteren Rands der Kontaktregion
angeordnet werden.
-
Des
Weiteren sollte die Gate-Feld-Isolationsschicht der umschaltbaren
Gräben so angepasst werden, dass sie dem während
des Anlegens des Drainpotentials an die Feldelektrode auftretenden hohen
elektrischen Feld widersteht. Die Gate-Feld-Isolationsschicht der
umschaltbaren Gräben ist in der Regel dicker als die Gate-Feld-Isolationsschicht
der anderen Gräben.
-
Das
hier beschriebene Halbleiterbauelement ist nicht auf Leistungsanwendungen
beschränkt, sondern kann für jede beliebige Anwendung
verwendet werden, für die eine Änderung der elektrischen
Eigenschaften gewählter Gräben erwünscht
ist.
-
Die
obige schriftliche Beschreibung verwendet spezifische Ausführungsformen,
um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart
zu offenbaren und auch, um es jeglichen Fachleuten zu ermöglichen,
die Erfindung herzustellen und zu benutzen. Obwohl die Erfindung
im Hinblick auf verschiedene spezifische Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist für Fachleute erkennbar, dass die
Erfindung mit Modifikationen innerhalb des Gedankens und Schutzumfangs
der Ansprüche ausgeübt werden kann. Insbesondere
können sich gegenseitig nicht ausschließende Merkmale
der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert
werden. Der patentierbare Schutzumfang wird durch die Ansprüche
definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten einfallen.
Solche weiteren Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche
fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht von der wörtlichen
Sprache der Ansprüche verschieden sind, oder wenn sie äquivalente
Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden in Bezug auf die
wörtlichen Sprachen der Ansprüche enthalten. Die
beiliegenden Ansprüche stellen einen ersten nicht bindenden
Versuch dar, die Erfindung allgemein zu beschreiben.
-
- 1
- Halbleiterbauelement
- 2
- Halbleitersubstrat
- 3
- Verschiebung
des Durchbruchsorts
- 4
- Last
- 5,
6
- Schaltpunkte
- 7,
8, 9
- Kennlinie
- 10
- erster
Graben
- 20
- zweiter
Graben
- 11,
21
- Gateelektrode
- 12,
22
- Feldelektrode
- 13,
23
- Gateisolationsschicht/GOX
- 14,
24
- Feldisolationsschicht/FOX
- 15,
25
- Gate-Feld-Isolationsschicht/POLOX
- 16,
26
- unterer
Rand der Gateelektrode
- 17,
27
- oberer
Rand der Feldelektrode
- 31
- erste
Dotierungsregion/Sourceregion
- 32
- zweite
Dotierungsregion/Drainregion/Emitterregion
- 33
- dritte
Dotierungsregion/Bodyregion
- 34
- vierte
Dotierungsregion/Driftregion
- 35
- erster
pn-Übergang
- 36
- zweiter
pn-Übergang
- 37
- hochdotierte
Region
- 40
- Kontaktregion/Poly-Plug
- 41
- unteres
Ende der Kontaktregion 40
- 51
- erste
Oberfläche
- 52
- zweite
Oberfläche
- 54
- Messstruktur
- 55
- isoelektrische
Potentiallinie
- 60
- Schaltelement
- 61
- erster
Eingangsanschluss
- 62
- zweiter
Eingangsanschluss
- 63
- Ausgangsanschluss
- 64
- Steueranschluss
- 70
- gemeinsames
Substrate oder Träger
- 71
- Kontaktstelle/Kontaktpad/Sourcekontakt
- 72
- Drainkontakt/Emitterkontakt
- 73
- Steuerkontaktstelle/Steuerpad
- 74
- Isolationsschicht
- 75
- Bonddraht
- 80
- Halbleiterbauelement
- 81
- Halbleitersubstrat
- 82
- Dotierungsregion
- 83
- Kontaktschicht
- 84
- Anschluss
- 85
- Kontaktschicht
- 86
- Anschluss
- 87
- Durchbruchsanfällige
Region
- 88
- Region
mit geradem pn-Übergang
- 89
- pn-Übergang
- 90
- Feldelektrode
- 91
- Ausgangsanschluss
- 92
- Steueranschluss
- 93
- Schaltelement
- 94,
95
- Eingangsanschluss
- 96
- Graben
- 97
- isolierende
Schicht
- 98,
99
- pn-Region
- 101,
201
- Halbleiterbauelement
- 110,
210
- erster
Graben
- 111,
211
- Gateelektrode
- 112,
212
- Feldelektrode
- 131,
213
- erste
Dotierungsregion/Sourceregion
- 132,
232
- zweite
Dotierungsregion/Drainregion/Emitterregion
- 133,
233
- dritte
Dotierungsregion/Bodyregion
- 134,
234
- vierte
Dotierungsregion/Driftregion
- 137,
237
- hochdotierte
Region
- 140,
240
- Kontaktregion/Poly-Plug
- 154,
254
- Mesastruktur
- 302
- Halbleitersubstrat
- 310
- erster
Graben
- 311
- Gateelektrode
- 312
- Feldelektroden
auf Sourcepotential
- 320
- zweiter
Graben
- 322
- schaltbare
Feldelektrode
- 323
- Drainregion
- 334
- Driftregion
- 338
- p-Wanne
- 339
- n-Wanne
- 356
- erste
Zwischenoxidschicht
- 357
- zweite
Zwischenoxidschicht
- 358
- Polysiliziumschicht
- 358a
- p-Bereich
- 358b
- n-Bereich
- 358c
- pn-Übergang
- 360
- Schaltelement
- 371
- Sourcemetallisierung
- 376
- laterale
Metallisierung
- 400
- Steueranschluss
- d1,
d2
- Abstand
- C
- Kapazität
- D
- Drainpotential/Drain
- DIAC
- DIAC
- G
- Gate
- ID
- Laststrom
- F
- Funktionseinheit
- FP
- Feldelektrode
- PG
- Peripheres
Gebiet
- R
- Widerstand
- S
- Sourcepotential/Source
- SQ
- Spannungsquelle
- T1
- Halbleiterbauelement/Lastzelle
- T2
- Durchbruchssensor/Sensorzelle
- t1, t2, t3
- Zeitpunkte
- ZD
- Zenerdiode
- ZF
- Zellenfeld
- VDS
- Source-Drain-Spannung
- VFP
- Feldelektrodenspannung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005041358
A1 [0004]