DE10321222A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, bei dem in die Driftzone (2) sowie im Bereich der aktiven Zonen (4, 5) Gebiete (10) des zum Leitungstyp der Driftzone (2) entgegengesetzten Leitungstyps eingelagert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit wenigstens zwei auf einem Halbleiterkörper vorgesehenen Elektroden und einer zwischen den wenigstens zwei Elektroden im Halbleiterkörper gelegenen Driftzone des einen Leitungstyps.
  • In der DE 198 00 647 C1 ist ein SOI-Hochspannungsschalter mit einer FET-Struktur beschrieben, bei der zwischen einer Gateelektrode und einer Drainelektrode im Drainbereich eine Driftzone des einen Leitungstyps vorgesehen ist. In diese Driftzone sind säulenartige Gräben in der Form eines Gitters eingelassen, die mit Halbleitermaterial des anderen Leitungstyps gefüllt sind. Auf diese Weise soll ein SOI-Hochspannungsschalter geschaffen werden, der für praktisch beliebige laterale Erstreckungen einfach herstellbar ist und eine hohe Spannungsfestigkeit bei einem niedrigen Einschaltwiderstand aufweist.
  • Weiterhin sind aus IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 49, No. 11, November 2002, Ranbir Singh u.a. "High-Power 4H-SiC JBS Rectifiers" Junction Barrier Schottky-(JBS-)Dioden bekannt, deren Halbleiterkörper zur Steigerung der Performance und Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit aus Siliziumcarbid besteht.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement anzugeben, dessen Driftzone im Hinblick auf Performance und Schaltgeschwindigkeit eine optimierte Gestaltung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in die Driftzone und in den an die Elektroden angrenzenden Be reich des Halbleiterkörpers Gebiete des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps eingelagert sind.
  • Bei diesen Gebieten des anderen Leitungstyps kann es sich beispielsweise um säulenartige Gebiete handeln, die zusammenhängend oder vereinzelt gestaltet und floatend oder auf einem bestimmten Potential liegen können. Die Gebiete können vorzugsweise als Trenche hergestellt werden, welche mit Halbleitermaterial des anderen Leitungstyps gefüllt sind. Für das Halbleitermaterial wird dabei vorzugsweise das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers herangezogen.
  • Von besonderer Bedeutung an dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ist es, dass die Gebiete des anderen Leitungstyps nicht nur in der eigentlichen Driftzone, sondern auch im Bereich der wenigstens zwei Elektroden, also in aktiven Bereichen des Halbleiterbauelementes, vorgesehen sind. Handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement beispielsweise um einen MOSFET oder einen JFET, so wird durch diese Ausführung der Gebiete des anderen Leitungstyps die Feldstärke im Kanalbereich limitiert, und die Kennlinien des Halbleiterbauelementes werden von der Drainspannung im Wesentlichen unabhängig. Das heißt, die Kennlinien nehmen dann einen ähnlichen Verlauf wie die Kennlinien von Pentoden an.
  • Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich neben einem MOSFET oder einem JFET auch um eine Schottky-Diode, eine JBS-Diode, einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) usw. handeln.
  • Für das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers kann Silizium, Siliziumcarbid, Verbindungshalbleiter usw. gewählt werden. Besonders bevorzugt besteht der Halbleiterkörper aus Siliziumcarbid, da mit diesem besonders hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen sind.
  • Für den einen Leitungstyp wird in bevorzugter Weise der n-Leitungstyp verwendet. Das heißt, die in die Driftzone und in den Bereich der Elektroden eingelagerten Gebiete des anderen Leitungstyps weisen dann den p-Leitungstyp auf. Die Ladungsbilanz in der Driftzone speziell bei einer Hochvolt-Schottky-Diode sollte so eingestellt sein, dass der n-Leitungstyp insgesamt überwiegt. Das heißt, es sollte n-Lastigkeit gegeben sein.
  • In letzterem Fall können die Driftzone und die an die Dioden angrenzenden Gebiete beispielsweise aus mehreren n- und p-leitenden Schichten bestehen, wobei die p-leitenden Schichten über säulenartige, durch Trenche eingebrachte Gebiete des anderen Leitungstyps miteinander zusammenhängen können. Wichtig ist aber, dass insgesamt die n-Lastigkeit vorherrscht.
  • Die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Leitungstypen können aber gegebenenfalls auch umgekehrt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen MOSFET nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen JFET nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Schottky-Diode nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
  • 4 eine Variante für die Gestaltung der Driftzone bei dem Ausführungsbeispiel von 3 in einer schematischen Schnittdarstellung.
  • 1 zeigt einen MOSFET in SOI-Struktur mit einem Isolator 1, auf den eine Halbleiterschicht 2 aus beispielsweise n-dotiertem Silizium oder Siliziumcarbid aufgebracht ist. In der Halbleiterschicht 2 befinden sich p-dotierte Zonen 3, die als Bodyzonen wirken, in welche wiederum n+-dotierte Sourcezonen 4 eingebracht sind. Weiterhin ist in der Halbleiterschicht 2 noch eine n+-dotierte Drainzone 5 vorgesehen. In einer Isolierschicht 6 aus beispielsweise Siliziumdioxid auf der Halbleiterschicht 2 befinden sich eine Sourcemetallisierung 7 und Gateelektroden 8 sowie eine Drainmetallisierung 9. Die Sourcemetallisierung 7, die Gateelektroden 8 und die Drainmetallisierung 9 können beispielsweise aus Aluminium oder polykristallinem Silizium bestehen.
  • Die Sourcemetallisierung 7 ist an einen Sourcekontakt S angeschlossen, welcher sich auf Bezugspotential 0 V befindet, während die Gateelektroden 8 mit einem Gatekontakt G verbunden sind und die Drainmetallisierung 9 an einen Drainkontakt D angeschlossen ist. Für die Gateelektroden 8 wird bevorzugt polykristallines Silizium verwendet.
  • Erfindungsgemäß sind in die gesamte Driftzone zwischen der Drainzone 5 und den Bodyzonen 3 in die Halbleiterschicht 2 und auch in den an die Drainzone 5 und die Bodyzonen 4 angrenzenden Bereich der Halbleiterschicht 2 p+-leitende Bereiche 10 eingelagert. Diese Bereiche 10 können durch Trenche gebildet sein, in welche p+-dotiertes Halbleitermaterial, also Silizium oder Siliziumcarbid, eingefüllt ist.
  • Die Bereiche 10 können floatend sein oder teilweise mit den Bodyzonen 3 zusammenhängen oder an die Drainzone 5 angeschlossen sein. Auch ist es möglich, die Drainzonen 10 durch eine p-leitende Schicht 11, die gitterförmig gestaltet ist, miteinander zu verbinden. Auf diese Schicht 11 kann aber verzichtet werden. Sie ist lediglich optional.
  • 2 zeigt in einem anderen Schnittbild ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes und zwar insbesondere einen JFET. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in der Halbleiterschicht 2 p-leitende Gatebereiche 12 vorgesehen, die an eine in der Isolierschicht 6 eingebettete Gatemetallisierung 13 angeschlossen sind. Für diese Metallisierung 13 kann bevorzugt polykristallines Silizium verwendet werden.
  • Auch beim Ausführungsbeispiel der 2 sind die p-leitenden Gebiete 10 im gesamten Bereich der Driftzone zwischen den Sourcezonen 4 und der Drainzone 5 sowie auch im Bereich unterhalb der Drainzone 5 und der Sourcezone 4 vorgesehen. Diese Gebiete 10 können gegebenenfalls durch eine p-leitende Schicht 11 – wie beim Ausführungsbeispiel von 1 – miteinander verbunden sein oder teilweise floatend oder an die Sourcezone 5 bzw. die Gatebereiche 12 angeschlossen sein.
  • 3 zeigt in einem Schnittbild ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich speziell eine Schottky-Diode mit einer n-leitenden Halbleiterschicht 2 aus beispielsweise Siliziumcarbid, auf einem semiisolierendem Substrat 1, das auf seiner Rückseite mit einer n-dotierten Feldstoppschicht 14 oder einer Isolatorschicht oder einer Metallisierung ausgestattet sein kann.
  • Durch die n-dotierte Halbleiterschicht 2 erstrecken sich die p+-dotierten Gebiete 10 von Chiprand R bis Chiprand R'. Außerdem sind eine n+-leitende Kathodenschicht 15 mit einer Kathodenmetallisierung 16 und eine Anodenmetallisierung 17, die einen Schottky-Kontakt mit der Halbleiterschicht 2 bil det, vorgesehen. Die Anodenmetallisierung 17 ist an einen Anodenkontakt A angeschlossen, während die Kathodenmetallisierung 16 mit einem Kathodenkontakt K verbunden ist.
  • Auch bei der im Ausführungsbeispiel von 3 gezeigten Lateral-Schottky-Diode erstrecken sich die p+-leitenden Gebiete 10 über die gesamte Driftzone zwischen der Anodenmetallisierung 17 und der Kathodenmetallisierung 16 und über die Bereiche unterhalb der Kathodenzone 15 und des Schottky-Kontaktes.
  • 4 zeigt eine Variante für die Gestaltung der Driftzone bei einer Schottky-Diode. Bei dieser Variante ist in die n-leitende Halbleiterschicht 2 eine p-leitende Halbleiterschicht 17 eingebettet. Gegebenenfalls können auch mehr als eine p-leitende Schicht 17 vorhanden sein. Durch diese p-leitende Schicht 17 hängen die p+-leitenden Gebiete 10 miteinander zusammen und sind über ein p-leitendes Anschlussgebiet 18 auf festes Potential, beispielsweise 0 V, gelegt.
  • Bei der Variante von 4 sollte im Bereich der Driftzone die Summe der n-Ladung die Summe der p-Ladung überwiegen, das heißt, es sollte n-Lastigkeit vorliegen.
    • 1
    Isolator
    2
    n-leitende Halbleiterschicht
    3
    p-leitende Zone
    4
    n+-dotierte Sourcezone
    5
    n+-dotierte Drainzone
    6
    Isolierschicht
    7
    Sourcemetallisierung
    8
    Gateelektrode
    9
    Drainmetallisierung
    10
    p+-leitende Gebiete
    11
    p-leitende Schicht
    12
    Gatebereiche
    13
    Gatemetallisierung
    14
    Feldstoppschicht
    15
    Kathodenschicht
    16
    Kathodenmetallisierung
    17
    p-leitende Schicht
    18
    p-leitendes Anschlussgebiet
    D
    Drainanschluss
    S
    Sourceanschluss
    G
    Gateanschluss
    A
    Anodenanschluss
    K
    Kathodenanschluss

Claims (12)

  1. Halbleiterbauelement mit wenigstens zwei auf einem Halbleiterkörper vorgesehenen Elektroden (7, 9; 16, 17) und einer zwischen den wenigstens zwei Elektroden im Halbleiterkörper gelegenen Driftzone (2) des einen Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, dass in die Driftzone (2) und in den an die Elektroden (7, 9; 16, 17) angrenzenden Bereich des Halbleiterkörpers Gebiete (10) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps eingelagert sind.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (10) des anderen Leitungstyps säulenförmig gestaltet sind.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Driftzone der eine Leitungstyp überwiegt.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Leitungstyp der n-Leitungstyp ist.
  5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (10) des einen Leitungstyps floatend sind.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (10) des einen Leitungstyps auf festem Potential liegen.
  7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzone auf einem Substrat (1) gelegen ist.
  8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat isolierend oder semiisolierend ist.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (10) des anderen Leitungstyps zusammenhängend gestaltet sind (vgl. 11).
  10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebiete (10) des anderen Leitungstyps durch eine Schicht (11) des anderen Leitungstyps miteinander verbunden sind.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des anderen Leitungstyps oberflächennah (vgl. 11) oder in der Driftzone (vgl. 17) geführt ist.
  12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein MOSFET, ein JFET, eine Schottkydiode oder dergleichen ist.
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