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DE10120656A1 - Halbleiterbauelement mit erhöhter Avalanche-Festigkeit - Google Patents

Halbleiterbauelement mit erhöhter Avalanche-Festigkeit

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DE10120656A1
DE10120656A1 DE10120656A DE10120656A DE10120656A1 DE 10120656 A1 DE10120656 A1 DE 10120656A1 DE 10120656 A DE10120656 A DE 10120656A DE 10120656 A DE10120656 A DE 10120656A DE 10120656 A1 DE10120656 A1 DE 10120656A1
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semiconductor component
proton
drift zone
regions
component according
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DE10120656A
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Markus Schmitt
Hans Joachim Schulze
Markus Vossebuerger
Armin Willmeroth
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Infineon Technologies AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit erhöhter Avalanche-Festigkeit. Bei Nennstrom dieses Halbleiterbauelements liegt im Avalanche-Fall die zwischen zwei Elektroden anliegende Spannung um 6% oder mehr über der statischen Sperrspannung bei gleicher Temperatur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit erhöhter Avalanche-Festigkeit aus einem mit wenigstens zwei Elektroden versehenen Halbleiterkörper, in welchem ins­ besondere in einer zwischen den Elektroden vorgesehenen Driftzone Bereiche des einen Leitungstyps und Bereiche des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungs­ typs einander abwechseln, so dass in dem durch diese Berei­ che gebildeten Gebiet der Driftzone im Wesentlichen Ladungs­ trägerkompensation besteht. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich dabei um ein vertikales oder ein laterales Halbleiterbauelement handeln. Bei einem vertikalen Halblei­ terbauelement liegen die wenigstens zwei Elektroden, bevor­ zugt Drain und Source eines Transistors, auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers, während diese Elektroden bei einem lateralen Halbleiterbau­ element auf der gleichen Hauptoberfläche vorgesehen sind. Der eine Leitungstyp ist bevorzugt der p-Leitungstyp, so daß der andere Leitungstyp der n-Leitungstyp ist. Die Leitungs­ typen können aber auch umgekehrt sein. Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus Silizium. Er kann aber auch aus ei­ nem anderen Halbleitermaterial, wie beispielsweise SiC oder AIIIBV gebildet sein.
Ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung von neuen Leistungs­ halbleiterbauelementen liegt darin, diese bei möglichst ge­ ringen Durchlassverlusten mit hohen Sperrspannungsfestigkei­ ten auszustatten. Leistungshalbleiterbauelemente sollen al­ so, wenn sie im Sperrzustand betrieben werden, hohe Spannun­ gen aushalten und bei einem Betrieb im Durchlasszustand nur kleine Durchlassverluste hervorrufen und somit einen niedri­ gen statischen Widerstand haben.
In Kompensationsbauelementen, wie diese beispielsweise in US 4 754 310, US 5 216 275, US 5 438 215 und DE 198 40 032 C1 beschrieben sind, wird dieses Ziel durch das Prinzip der La­ dungsträgerkompensation weitgehend erreicht: die spannungs­ aufnehmende Driftzone besteht aus einer in bestimmter Weise realisierten, alternierenden Folge von zueinander entgegen­ gesetzt dotierten Bereichen. In diesen Bereichen sind die Dotierungen unter Berücksichtigung der geometrischen Abmes­ sungen der Bereiche derart eingestellt, dass sich die Raum­ ladungen der alternierenden Dotierungen in den durch die je­ weiligen Bereiche unterschiedlicher Dotierung gebildeten Ge­ bieten in horizontaler Richtung kompensieren ("Kompensati­ onsgebiete"), wenn in einem Vertikalbauelement beispielswei­ se Source und Drain aufeinander gegenüberliegenden Haupto­ berflächen des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Damit wird es möglich, über der gesamten Driftzone ein hohes elektri­ sches Feld anzulegen.
In Kompensationsbauelementen sind so in der Driftzone Dotie­ rungskonzentrationen an Akzeptoren bzw. Donatoren möglich, die weit über den Dotierungskonzentrationen entsprechender Halbleiterbauelemente in herkömmlicher Technologie ohne Kom­ pensationsgebiete liegen.
In der Driftzone wird aber durch die Kompensationsgebiete eine gegenüber herkömmlichen Halbleiterbauelementen deutlich verbesserte elektrische Leitfähigkeit erreicht, so dass im Durchlassbetrieb statische Verluste wesentlich reduziert und niedrige statische Einschaltwiderstände erzielt werden kön­ nen. Bei einem Betrieb des Kompensationsbauelementes im Sperrzustand stellt sich in der Driftzone in Abhängigkeit von den konkreten Dotierungsverhältnissen in den Kompensati­ onsgebieten ein charakteristischer Verlauf des elektrischen Feldes ein, welcher wesentlich für die sich ergebende Sperrspannungsfestigkeit des Kompensationsbauelementes ist. Bei einem tatsächlichen Design eines Kompensationsbauelementes treten speziell unter Avalanche-Bedingungen die folgenden Probleme auf:
Wird das Kompensationsbauelement ohne Freilaufdiode in Reihe mit einer induktiven Last betrieben und dann abgeschaltet, so kann die Spannung über die Durchbruchspannung ansteigen, um den Laststrom zu führen. Da die durch den Avalanche- Effekt erzeugten Ladungsträger einige Bruchteile von Nanose­ kunden benötigen, um die Driftzone zu durchqueren, steigt die Spannung geringfügig über den eigentlich statisch für diesen Strom benötigten Wert an. Es tritt also eine Span­ nungsüberhöhung ein, so dass mittels des Avalanche-Effektes eine massiv verstärkte Generation von Elektronen und Löchern vorliegt. Überschreitet nun oberhalb einer kritischen Strom­ schwelle die Konzentration an Ladungsträgern in einem hin­ reichend ausgedehnten Gebiet der Raumladungszone deutlich die Konzentration der statischen Dotieratome, liegt also ein dynamischer Avalanche vor, so bricht die Spannung am Kompen­ sationsbauelement ein, wodurch sofort weniger Ladungsträger erzeugt werden, was unmittelbar wieder zu einem Ansteigen der am Kompensationsbauelement anliegenden Spannung führt. Während der Strom von der äußeren induktiven Last erzwungen ist, oszilliert die Spannung mit hoher Frequenz im Bereich von GHz, was allgemein mit dem Begriff "TRAPATT-Oszillation" (TRAPATT = Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit) be­ zeichnet wird.
Solche TRAPATT-Oszillationen können zu einer lokalen Schädi­ gung oder gar Zerstörung des Kompensationsbauelementes füh­ ren. Sie können zusätzlich im Hinblick auf EMV-Vorschriften für bestimmte Anwendungen des Bauelementes kritisch bzw. so­ gar unzulässig sein. Mit anderen Worten, TRAPATT-Oszillatio­ nen schränken das Anwendungsfeld von Kompensationsbauelementen stark ein und verringern nicht zuletzt durch die Gefahr einer Zerstörung deren Zuverlässigkeit.
Ein weiteres Problem bilden hohe Abschaltverluste einer im Kompensationsbauelement enthaltenen intrinsischen Diode: da beispielsweise zwischen Sourcekontakt und Drainkontakt eine Dotierungsfolge von p+, p, n und n+ vorliegt, kann das Bau­ element nicht nur als Transistor, sondern auch als Diode be­ trieben werden.
Im Durchlassbetrieb wird die Driftzone mit vielen Ladungs­ trägern überschwemmt. Wird die intrinsische Diode dann in Sperrichtung umgepolt, muss die durch diese Ladungsträger gebildete gespeicherte Ladung abfließen, bevor das Bauele­ ment die Sperrspannung aufnehmen kann. Es kommt daher zu ei­ ner großen Rückstromspitze (vgl. hierzu unten auch Fig. 8). Da gleichzeitig aber bereits die am Bauelement anliegende Spannung ansteigt, resultieren daraus hohe Abschaltverluste. Dies führt letztlich zu einer Erwärmung des Kompensations­ bauelementes und damit zu einer begrenzten Schaltfrequenz.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halb­ leiterbauelement anzugeben, bei dem der Stromschwellenwert für das Einsetzen von TRAPATT-Oszillationen deutlich angeho­ ben ist und das sich durch verminderte Abschaltverluste der intrinsischen Diode auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich ein Halbleiterbau­ element der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch aus, dass die im Avalanche-Fall bei Nennstrom des Halblei­ terbauelementes zwischen den wenigstens zwei Elektroden an­ liegende Spannung um 6% oder mehr über der statischen Sperrspannung bei einer Stromstärke von etwa 10 µA/mm2 und bei gleicher Temperatur liegt. Unter "Nennstrom" ist dabei der Dauerstrom zu verstehen, den das Bauelement bei einer Junction-Temperatur von 25°C maximal ziehen kann.
Die obige Bedingung für die Spannung bei Nennstrom kann durch entsprechende Dotierung der Driftzone eingehalten wer­ den. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Dotierung in der Driftzone so eingestellt ist, dass in dem auf der Dotierung beruhenden Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone in der Richtung zwischen den beiden Elektroden eine lokale Spitze vorliegt, durch welche in einem Avalanche-Durchbruch die Ladungsträgergeneration auf einen schmalen Bereich be­ grenzt ist, so dass in dem schmalen Bereich, wenn dieser höchstens 15% der Länge der Strecke der Driftzone zwischen den wenigstens zwei Elektroden einnimmt, mindestens etwa 50 % der insgesamt in der Driftzone erzeugten Ladungsträger ge­ neriert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, dass in dem schmalen Bereich, wenn dieser höchstens 10% der Länge der Strecke der Drift­ zone zwischen den wenigstens zwei Elektroden einnimmt, sogar mindestens etwa 60% der insgesamt in der Driftzone erzeug­ ten Ladungsträger generiert werden. Zum Vergleich sei ange­ merkt, dass bei einem herkömmlichen Bauelement (vgl. z. B. "Standard" in Fig. 1) auf 10% der Länge der Strecke der Driftzone weniger als 30% der Ladungsträger erzeugt werden.
Durch die Erfindung wird so auf relativ einfache Weise der Stromschwellenwert für das Einsetzen von TRAPATT-Oszillatio­ nen deutlich angehoben, was zu wesentlichen Vorteilen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes führt: durch Stei­ gerung der Robustheit wird eine höhere Zuverlässigkeit er­ reicht. Die Sicherheit für Anwendungen ist erhöht, und der Anwendungsbereich ist durch Erfüllung schärferer Kriterien, wie beispielsweise speziellen EMV-Vorschriften, erweitert.
Es hat sich gezeigt, dass die im Avalanche-Fall auftretende und insbesondere auf die spezielle Dotierung der Driftzone zurückzuführende Steigerung der Spannung um 6% oder mehr über die statische Durchbruchspannung mit einer Anhebung des Schwellenwertes für das Einsetzen von TRAPATT-Oszillationen verbunden ist. Diese Spannungssteigerung von 6% oder mehr ist dabei der primär messbare Wert.
Die Erfindung wird bevorzugt auf die bisher üblichen Kompen­ sationsbauelemente angewandt. Generell lassen sich die oben angeführten Vorteile aber auch bei anderen Leistungshalblei­ terbauelementen als diesen Kompensationsbauelementen erzie­ len, bei denen Probleme infolge von TRAPATT-Oszillationen auftreten können.
Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ist so zunächst, dass die Anhebung der TRAPATT-Oszillations­ schwelle durch Einstellung eines geeigneten Dotierungspro­ files in der Driftzone erfolgt.
Es ist experimentell belegt, dass für ein verbessertes Ava­ lanche-Verhalten eine Feldspitze im Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone wichtig ist: diese Feldspitze kon­ zentriert nämlich die Ladungsträgergeneration bei einem Ava­ lanche-Durchbruch auf einen schmalen Bereich. Dadurch wird die Steigung der dn/dU-Kennlinie (n: Anzahl der Ladungsträ­ ger; U: anliegende Spannung) verkleinert, was im folgenden näher erläutert werden soll.
Wenn beispielsweise ein MOS-Transistor in Kompensationstech­ nik (CoolMOS-Transistor) bei einer externen induktiven Last ohne Freilaufdiode abgeschaltet wird, erzwingt die Indukti­ vität der Last ein Weiterfließen des Stromes als Verschie­ bungsstrom im Transistor. Dadurch steigt die Spannung an, bis eine Ladungsträgergeneration durch den Avalanche-Effekt einsetzt. Da aber die durch den Avalanche-Effekt erzeugten Ladungsträger mit einer gewissen Verzögerung an den Kontak­ ten von Source bzw. Drain eintreffen, werden eigentlich zu viele Ladungsträger generiert, um den vorgegebenen Strom zu tragen. Dies bedeutet aber, dass die Spannung zusammen­ bricht, bis die überschüssigen Ladungsträger abgeflossen sind. Danach beginnt der Zyklus wieder von vorne. Das An­ schwingen hängt entscheidend davon ab, dass bereits bei ei­ ner leichten Spannungserhöhung die Anzahl der durch Avalan­ che erzeugten Ladungsträger über ein großräumiges Gebiet der Driftzone ansteigt, da erst unter diesen Umständen das elek­ trische Feld in größerem Maß absinken und damit die Spannung oszillieren kann. Ein gutes Maß, um zwei verschiedene Feld­ verläufe zu vergleichen, ist die Steigung dj/dU der Strom­ dichte j in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung U. Nimmt dieser Wert dj/dU ab, so steigt die Stromschwelle für die Oszillationen an.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Protonenbestrahlung mit geeigneter Energie und Dosis einge­ setzt. Durch diese Protonenbestrahlung, die einen n- dotierenden Effekt hat, wird das elektrische Feld in der Driftzone derart verändert, dass die Steigung dj/dU (j = Stromdichte in Sperrrichtung) der Sperrkennlinie im Bereich der Oszillationsschwelle flacher wird, wodurch die Schwelle für TRAPATT-Oszillationen ansteigt.
Ein anderer vorteilhafter Effekt einer Protonenbestrahlung liegt darin, dass eine hohe Störstellendichte in der Drift­ zone erzeugt wird, was die Rekombination von freien Ladungs­ trägern erhöht. Dadurch wird die Speicherladung im Durch­ lassbetrieb der intrinsischen Diode deutlich reduziert. Eine reduzierte Speicherladung verringert die Abschaltverluste und damit die Erwärmung des Bauelementes, wodurch wiederum eine höhere maximale Schaltfrequenz erreicht wird.
Die Bestrahlung mit Protonen kann bei einem CoolMOS-Transis­ tor vorzugsweise von der Drainseite aus erfolgen. Als Ener­ gie bzw. Dosis können z. B. 3,91 MeV bzw. 1012 Protonen/cm2 gewählt werden. Dadurch wird im Bereich einer maximalen Reichweite von etwa 140 µm ungefähr 25 µm unter dem Gateoxid eine n-Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 5 × 1014 cm-3 erzeugt.
Ein besonders vorteilhafter Wert für die Protonenbestrah­ lungsdosis ist durch 5 × 1011 Protonen/cm2 oder ggf. mehr ge­ geben.
Entscheidend für das verbesserte Avalanche-Verhalten ist da­ bei, dass die Protonenenergie und die Protonendosis für ein beliebiges Kompensationsbauelement derart gewählt werden, dass im resultierenden Verlauf des elektrischen Feldes durch die Dotierung die erwähnte Feldspitze erzeugt wird. Diese Feldspitze konzentriert dann, wie oben beschrieben wurde, die Ladungsträgergeneration bei einem Avalanche-Durchbruch auf einen schmalen Bereich, was die Steigung von dj/dU in der beschriebenen Weise verkleinert.
Die Protonenbestrahlung kann vorzugsweise mit zwei verschie­ denen Energien vorgenommen werden. Mit der ersten Energie, die höher als die zweite Energie ist, wird dann ein erstes Protonenmaximum mit einem Ladungsträger-Lebensdauerminimum nahe unter der Gate-Isolierschicht in einem Abstand von bei­ spielsweise 20-30 µm von dieser erzeugt. Dieses Protonen­ maximum trägt zur Ausbildung der lokalen Spitze des elektri­ schen Feldes bei. Mit der zweiten Energie wird ein zweites Protonenmaximum erzeugt, das in der Driftzone in deren zum ersten Protonenmaximum abgewandten Bereich gelegen ist und zu einer reduzierten Speicherladung der intrinsischen Diode führt.
Schließlich hat sich gezeigt, dass eine Heliumbestrahlung mit Heliumionen, die vorzugsweise von der Sourceseite aus erfolgt, in der intrinsische Diode zu einer Reduktion der in Vorwärts- bzw. Durchflussrichtung gespeicherten Ladung führt, was zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit beiträgt, da beim Umpolen weniger Ladungen abfließen müssen. Dadurch wird die Rückstromspitze verringert. Zusätzlich ist auch bei dieser Bestrahlungsvariante eine Erhöhung der Avalanche-Fes­ tigkeit zu beobachten, wenn Helium in den vom Gateoxid abge­ wandten Bereich der Driftzone eingestrahlt wird. Die Dosis und Energie für die Heliumbestrahlung können mit (1 . . . 8) × 1010 Heliumionen/cm2 und 5 bis 8 MeV, vorzugsweise 6 bis 7,5 MeV, gegeben sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verlaufes des elektrischen Feldes abhängig von der Wei­ te der Driftzone für ein herkömmliches Verti­ kal-Kompensationsbauelement (Strichlinie) und für ein erfindungsgemäßes Vertikal-Kompensa­ tionsbauelement (Volllinie), jeweils in ver­ tikaler Richtung des Bauelements,
Fig. 2 den Verlauf simulierter Durchbruchkennlinien der Drainstromdichte jD(A) in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung UDS(V) für ei­ nen bisher üblichen CoolMOS-Transistor (Strichlinie) und für einen CoolMOS-Transi­ stor als Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Kompensationsbauelementes (Vollli­ nie),
Fig. 3a-3c verschiedene Varianten für die Gestaltung von Kompensationssäulen,
Fig. 4a-4c einen Schnitt durch eine Kompensationssäule (Fig. 4a) bzw. den Verlauf der Netto-Dotie­ rung im Bereich der Kompensationssäule von Fig. 4a (Fig. 4b) über die gesamte Breite der Driftzone und des Substrates bzw. den Verlauf der effektiven elektrischen Feldstärke auf­ grund der Netto-Dotierung von Fig. 4b (Fig. 4c),
Fig. 4d eine von Fig. 4a-4c abweichende Gestaltung der Kompensationssäule,
Fig. 5a-5d Designvarianten für Kompensationssäulen in Draufsicht,
Fig. 6 den Verlauf der elektrischen Feldstärke E(V/cm) in Abhängigkeit von der Entfernung (µm) vom Gateoxid, also von der Weite d der Driftzone, für ein unbestrahltes Kompensati­ onsbauelement und für ein mit Protonen be­ strahltes Kompensationsbauelement,
Fig. 7 den Verlauf simulierter Sperrkennlinien für den Drainstromdichte jD(A) in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung UDS(V) für ein unbestrahltes Kompensationsbauelement bzw. für ein bestrahltes Kompensationsbauelement und
Fig. 8 den Verlauf experimentell ermittelter Rück­ stromspitzen des Drainstromes ID(A) in Abhängigkeit von der Zeit t(s) für ein unbestrahl­ tes Kompensationsbauelement und für zwei mit unterschiedlichen Parametern mit Protonen be­ strahlte Kompensationsbauelemente.
Fig. 1 zeigt schematisch den Verlauf des elektrischen Feldes E zwischen Source S und Drain D in der Driftzone eines her­ kömmlichen CoolMOS-Transistors ("Standard"; vgl. die Strich­ linie) und eines CoolMOS-Transistors als einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung (vgl. die Volllinie). Deutlich ist zu sehen, dass beim Standard-CoolMOS-Transistor das elektrische Feld über einer größeren Weite bzw. Tiefe d zwischen Source S und Drain D in der Driftzone oberhalb einer kritischen Feldstärke Ekrit liegt als bei dem erfindungsgemäßen CoolMOS- Transistor. Bei der Erfindung ist durch Ausbildung einer Feldspitze mittels entsprechender Einstellung des Dotie­ rungsverlaufs gewährleistet, dass das elektrische Feld in der Driftzone nur in einem schmalen Bereich auf eine über der kritischen Feldstärke Ekrit liegende Feldstärke anwächst, so dass die Ladungsträgergeneration auf diesen schmalen Be­ reich begrenzt wird, was das Auftreten von TRAPATT-Oszilla­ tionen stark vermindert. Mit anderen Worten, durch die ge­ zielte Einstellung des Dotierungsprofiles wird eine Anhebung der TRAPATT-Oszillationsschwelle bewirkt. Daraus folgt wie­ derum eine Anhebung der im Avalanche-Fall zwischen Source S und Drain D anliegenden Spannung um 6% oder mehr über die statische Sperrspannung bei gleicher Temperatur.
Fig. 2 zeigt schematisch die Auswirkungen eines eine Feld­ spitze aufweisenden Verlaufes des elektrischen Feldes auf das Durchbruchverhalten. Es ist zu sehen, dass bei einem Kompensationsbauelement entsprechend der Erfindung eine deutlich geringere Steigung der Drainstromdichte jD in Abhän­ gigkeit von der Drain-Source-Spannung UDS im Vergleich zu einem herkömmlichen Kompensationsbauelement ("Standard") vorliegt. Mit anderen Worten, die "dj/dU"-Kennlinie hat eine kleinere Steigung.
Der Verlauf der beiden Kurven "Standard" für ein herkömmli­ ches Kompensationsbauelement und "Erfindung" für das erfin­ dungsgemäße Kompensationsbauelement in Fig. 2 wird verständ­ lich, wenn die resultierenden Verläufe der elektrischen Fel­ der in Fig. 1 berücksichtigt werden: während bei einem nach der vorliegenden Erfindung optimierten Dotierungsprofil mit einer Feldspitze die Ladungsträger durch Stoßionisation vor­ wiegend nur im Bereich der Feldspitze des elektrischen Fel­ des erzeugt werden, können bei einem herkömmlichen Verlauf des Dotierungsprofiles (vgl. die Strichlinie in Fig. 1) die Ladungsträger nahezu über die gesamte Weite der Driftzone zusätzliche Ladungsträgerpaare erzeugen. Dadurch steigt die dj/dU-Kennlinie steiler an (vgl. die Kurve "Standard" in Fig. 2), so dass das Kompensationsbauelement insgesamt schwingungsanfälliger wird.
In dem schmalen Bereich der Feldspitze werden bei der Erfin­ dung etwa 50% der in der Driftzone insgesamt generierten Ladungsträger erzeugt, wenn dieser Bereich etwa 15% der Strecke der Driftzone zwischen den Elektroden einnimmt. Noch vorteilhafter ist es, wenn 60% der Ladungsträger in einem 10% der Strecke einnehmenden Bereich generiert werden.
Im Experiment und in der Simulation kann gezeigt werden, dass bei einer Last von etwa 50 µH die Oszillationsschwelle für TRAPATT-Oszillationen bei einem Standard- Kompensationsbauelement in der Größenordnung von etwa 125 A/cm2 liegt, während diese Schwelle bei einem entsprechenden erfindungsgemäßen Kompensationsbauelement auf über 200 A/cm2 ansteigt.
Die Fig. 3a bis 3c zeigen verschiedene Varianten für die Ge­ staltung von Kompensationssäulen 1 in Kompensationsbauele­ menten. Diese Kompensationssäulen 1 können zusammenhängend sein, wie dies in der im Wesentlichen dem Ausführungsbei­ spiel von Fig. 4a entsprechenden Fig. 3a gezeigt ist. In der Fig. 3a grenzt die p-dotierte Kompensationssäule 1 an eine eine Sourcezone 10 mit einem Sourcekontakt S enthaltende Wannenzone 9 an und liegt in einem n-leitenden Gebiet 11. Die Kompensationssäulen 1 können aber auch aus floatenden und in sich nicht zusammenhängenden Bereichen 1' gebildet werden (vgl. Fig. 3b), die bei entsprechender Dotierung durch beispielsweise Implantation und anschließende Diffusi­ on gegebenenfalls in Bereichen 1" zusammenwachsen können (vgl. Fig. 3c). Die Kompensationssäule kann also wenigstens teilweise floatend sein.
Die Einstellung eines zur Erzeugung einer Feldspitze geeig­ neten Dotierungsprofiles kann erfolgen, ohne die Spannungs­ festigkeit des Kompensationsbauelementes wesentlich zu be­ einträchtigen. Ein Beispiel für ein geeignetes Dotierungs­ profil soll im folgenden anhand der Fig. 4a (Verlauf einer p-dotierten Kompensations- bzw. Dotierungssäule 1 in einem n-dotierten Bereich zur Bildung einer Driftzone), der Fig. 4b (Netto-Dotierung für die Driftzone von Fig. 4a) und der Fig. 4c (Verlauf der Feldstärke bei der Dotierungssäule von Fig. 4a) näher erläutert werden. Die Kompensations- bzw. Do­ tierungssäule kann selbstverständlich in der anhand der Fig. 3a bis 3c gezeigten Weise gestaltet sein.
Fig. 4a zeigt eine p-dotierte Kompensations- oder Dotie­ rungssäule 1 aus einem p++-dotierten Bereich 9, einem p-do­ tierten Bereich 1a, einem p+-dotierten Bereich 1b, einem p- dotierten Bereich 1c und einem p-dotierten Bereich 1d in ei­ nem n--dotierten Bereich 11, der auf einem n+-dotierten Sili­ ziumsubstrat 8 angeordnet ist. Aus den Bereichen 9, 1a bis 1d und 11 wird eine ladungskompensierte Driftzone 7 gebil­ det. Der Bereich 11 kann zwei verschieden dotierte Gebiete 11a, 11b haben. Vorzugsweise ist das Gebiet 11a höher do­ tiert als das Gebiet 11b.
Der p++-dotierte Bereich 9 kann eine eine n-dotierte Source­ zone 10 enthaltende p-dotierte Wannenzone bilden, die zusam­ men mit der Sourcezone 10 mit einer Sourceelektrode S kon­ taktiert ist, während auf dem Substrat 8 ein Drainkontakt D vorgesehen werden kann. In eine Gate-Isolierschicht aus Si­ liziumdioxid (Gateoxid) ist eine Gateelektrode (Gate) einge­ bettet. Der p++-dotierte Bereich 9 bzw. die Wannenzone bildet ein mehr oder weniger einheitlich dotiertes Gebiet. Es kann gegebenenaflls auch aus zwei verschieden stark p-dotierten Bereichen bestehen.
Bei der in Fig. 4a gezeigten Dotierung für die Dotierungs­ säule 1 stellt sich über die gesamte Breite von Dotierungs­ säule 1 und Bereich 11, also in der Driftzone 7 eine Netto- Dotierung ein, wie diese in Fig. 4b gezeigt ist: der p++- dotierte Bereich 9 lässt die p-Netto-Dotierung überwiegen, während beispielsweise im p--dotierten Bereich 1c die n- Netto-Dotierung vorherrscht. Ebenso ist im p+-dotierten Be­ reich 1b die p-Netto-Dotierung vorherrschend, während unter­ halb der Dotierungssäule 1 im Gebiet 11b selbstverständlich nur die n-Netto-Dotierung vorhanden ist. Die jeweiligen Be­ reiche bzw. Gebiete sind in Fig. 4b in Klammern angegeben.
Der aufgrund der in Fig. 4b dargestellten Netto-Dotierung auftretende Verlauf der elektrischen Feldstärke E ist quali­ tativ über der Weite d der Driftzone 7 in Fig. 4c gezeigt: im Gebiet zwischen den Bereichen 1b und 1c stellt sich eine Feldspitze des elektrischen Feldes E ein. Wichtig für die Ausbildung der Feldspitze sind der Übergang (p → p+) zwi­ schen den Bereichen 1a und 1b, der Übergang (p+ → p-) zwischen den Bereichen 1b und 1c und der Übergang (p- → p) zwi­ schen den Bereichen 1c und 1d.
Die Kompensationssäule 1 kann auch beispielsweise aus einem p-leitenden Bereich 2, einem p--leitenden Bereich 3, einem p- -leitenden Bereich 4 und einem p-leitenden Bereich 5 beste­ hen, wie dies in Fig. 4d gezeigt ist. Es stellen sich dann die in dieser Figur angegebenen Werte für Netto-Dotierung und effektive Feldstärke ein. Auch hier bildet sich deutlich eine Feldspitze aus.
Die Fig. 5a bis 5d zeigen in Draufsicht (z. B. von der Sour­ ceelektrode S aus gesehen) verschiedene Design-Varianten für die Kompensationssäulen 1: Diese können beispielsweise he­ xagonal (Fig. 5a), streifenförmig (Fig. 5b), schachbrettmus­ terartig (Fig. 5c) oder isoliert rechteckig bzw. quadratisch (Fig. 5d) ausgeführt sein.
Eine Feldspitze im Verlauf des elektrischen Feldes kann, wie Untersuchungen der Erfinder gezeigt haben, auch durch Proto­ nenbestrahlung von der Drainseite aus (in Fig. 4a rechts) erreicht werden. Die Fig. 6 zeigt schematisch den simulier­ ten Verlauf des elektrischen Feldes E in Abhängigkeit von der Weite d der Driftzone 7 in einem CoolMOS-Transistor ohne Protonenbestrahlung ("Standard") und mit Protonenbestrahlung ("Erfindung"). Die Protonenbestrahlung kann mit einer sol­ chen Dosis vorgenommen werden, dass sich eine zusätzliche Dotierung von etwa 5 × 1014 Donatoren cm-3 im Bereich der ma­ ximalen Reichweite ergibt. Die Dosis wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass sich eine Optimierung der intrinsischen Diode ergibt.
Die beiden Kurven in Fig. 6, nämlich "Standard" und "Erfin­ dung", zeigen, dass das elektrische Feld E nach der Proto­ nenbestrahlung deutlich eine Feldspitze gegenüber dem Feldverlauf ohne Protonenbestrahlung hat. Diese Feldspitze be­ deutet eine Anhebung der TRAPATT-Oszillationsschwelle, wie dies oben anhand der vorangehenden Ausführungsbeispiele er­ läutert wurde.
Aus Fig. 7 sind die Auswirkungen der Protonenbestrahlung und des durch diese bedingten Verlaufes des elektrischen Feldes auf das Durchbruchverhalten dargestellt. Es zeigt sich, dass bei dem erfindungsgemäßen Kompensationsbauelement mit dem optimierten Dotierungsprofil eine deutlich geringere Stei­ gung der Kurve dj/dU vorliegt, wobei allerdings auch eine geringere Durchbruchspannung gegeben ist. Bei dem optimier­ ten Dotierungsprofil ("Protonendotierung gemäß Erfindung") ist insbesondere im Bereich rechts von dem Feldmaximum (vgl. Fig. 6), den die in der Feldspitze erzeugten Elektronen durchlaufen, das elektrische Feld gegenüber einem herkömmli­ chen Kompensationsbauelement ("Standard") deutlich abge­ senkt. Dadurch kann dort durch Stoßionisation nur eine ver­ nachlässigbare zusätzliche Anzahl von weiteren Elektronen- Loch-Paaren generiert werden. Die Generation von Ladungsträ­ gern ist auf einen schmalen Bereich konzentriert, die j-U- Kennlinie für die Drainstromdichte jD in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung UDS (vgl. Fig. 7) wird flacher, und das Kompensationsbauelement wird schwingungsresistenter.
Experimente der Erfinder haben gezeigt, dass die Oszillati­ onsschwelle auch bei diesem Ausführungsbeispiel für das her­ kömmliche Kompensationsbauelement bei einer Stromdichte von etwa 125 A/cm2 liegt, während das entsprechend der Erfindung mit Protonen bestrahlte Kompensationsbauelement im Mittel erst ab einer Stromdichte von etwa 185 A/cm2 zu schwingen be­ ginnt. Die Durchbruchspannung bei einer Stromdichte jD = 125 mA/cm2 sinkt im Experiment von etwa 668 V bei einem unbe­ strahlten Kompensationsbauelement auf lediglich 610 V bei dem entsprechend der Erfindung bestrahlten Kompensationsbau­ element.
In Fig. 8 ist der Verlauf der Rückstromspitze des Drainstro­ mes ID in einem Schalter in einer Tiefsetzstellerschaltung für zwei Protonenenergien bzw. -dosen dargestellt. Wird ein Protonenmaximum, das etwa 20 bis 30 µm unter dem Gateoxid liegt und mit einer Dosis von etwa 2 × 1012 Protonen/cm2 er­ zeugt ist, gewählt, so wird ungefähr die gleiche Reduktion der Rückstromspitze wie mit einer Energie von 4,06 MeV (Pro­ tonenmaximum etwa 15 bis 20 µm unter dem Gateoxid) und einer Dosis von 5 × 1011 Protonen/cm2 erreicht. Die Verschiebung des Peaks bzw. Spitzenwertes ist auf unterschiedliche Trig­ gerpunkte des Oszilloskops zurückzuführen. Mit anderen Wor­ ten, je näher das Protonenmaximum unter dem Gateoxid zu lie­ gen kommt, ohne dieses jedoch zu schädigen, desto kleiner ist die Rückstromspitze bei gleicher Dosis, da bei höherer Energie in einem größeren Bereich der Raumladungszone die Ladungsträger-Lebensdauer abgesenkt wird. Der beste Kompro­ miss zwischen hoher Avalanche-Festigkeit und schneller in­ trinsischer Diode ergibt sich bei einer Energie E = 3,91 MeV und einer Dosis von 5 × 1011 Protonen/cm2.
Die Protonenbestrahlung kann, wie bereits oben erwähnt wur­ de, mit einer oder mit mehreren Energien, vorzugsweise zwei Energien, von der Drainseite (Rückseite) aus vorgenommen werden. Bei zwei verschiedenen Energien trägt die Bestrah­ lung mit der ersten, höheren Energie zur Ausbildung der lo­ kalen Spitze des elektrischen Feldes bei, während die Be­ strahlung mit der zweiten, niedrigeren Energie die Reduzie­ rung der Speicherladung der intrinsischen Diode fördert.
Anstelle der Protonenbestrahlung oder zusätzlich zu dieser kann von der Sourceseite oder Vorderseite aus auch eine He­ liumbestrahlung (He+) in der oben erläuterten Weise durchgeführt werden, wodurch ebenfalls die Avalanche-Festigkeit er­ höht und zugleich die Schaltgeschwindigkeit der intrinsi­ schen Diode verbessert werden kann. Die genauen physikali­ schen Ursachen werden noch untersucht.
Bezugszeichenliste
1
,
1
',
1
" Kompensationssäule
1
a p-dotierter Bereich
1
b p+
-dotierter Bereich
1
c p-
-dotierter Bereich
1
d p-dotierter Bereich
2
p++
-dotierter Bereich
3
p-dotierter Bereich
4
p+
-dotierter Bereich
5
p-
-dotierter Bereich
7
,
7
a,
7
b Driftzone
8
n+
-dotiertes Siliziumsubstrat
9
p-dotierte Wannenzone
10
Sourcezone
11
n-
-p-dotierter Bereich
S Sourcekontakt
D Drainkontakt
d Weite der Driftzone
E elektrische Feldstärke
ID Drainstrom
UDS Drain-Source-Spannung
Ekrit
kritische Feldstärke
t Zeit
j Stromdichte

Claims (19)

1. Halbleiterbauelement mit erhöhter Avalanche-Festigkeit aus einem mit wenigstens zwei Elektroden (S, D) versehenen Halbleiterkörper, in welchem insbesondere in einer zwischen den Elektroden (S, D) vorgesehenen Driftzone (7) Bereiche (1, 1', 1") des einen Leitungstyps und Bereiche (11) des an­ deren, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet sind, so dass in dem durch diese Bereiche (1, 1', 1"; 11) gebildeten Gebiet der Driftzone (7) im We­ sentlichen Ladungsträgerkompensation besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die im Avalanche-Fall bei Nennstrom des Halbleiterbau­ elements zwischen den wenigstens zwei Elektroden (S, D) an­ liegende Spannung um 6% oder mehr über der statischen Sperrspannung bei einer Stromstärke von etwa 10 µA/mm2 und bei gleicher Temperatur liegt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdotierung in der Driftzone (7) durch entspre­ chende Dotierung der Bereiche (1, 1', 1") des einen Leitung­ styps und/oder der Bereiche (11) des anderen Leitungstyps so eingestellt ist, dass in dem auf der Dotierung beruhenden Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone (7) in der Richtung zwischen den beiden Elektroden (S, D) eine lokale Spitze vorliegt, durch welche in einem Avalanche-Fall die Ladungsträgergeneration auf einen schmalen Bereich begrenzt ist, so dass in dem schmalen Bereich, wenn dieser höchstens 15% der Länge der Strecke der Driftzone (7) zwischen den wenigstens zwei Elektroden (S, D) einnimmt, mindestens etwa 50% der insgesamt in der Driftzone (7) erzeugten Ladungs­ träger generiert werden.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem schmalen Bereich, wenn dieser höchstens 10% der Länge der Strecke der Driftzone (7) zwischen den wenigstens zwei Elektroden (S, D) einnimmt, sogar mindestens etwa 60% der insgesamt in der Driftzone (7) erzeugten Ladungsträger generiert werden.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (1, 1', 1") des einen Leitungstyps einen höher dotierten Bereich (1b) zwischen zwei niedriger dotier­ ten Bereichen (1a, 1c) aufweisen und dass zur Erzeugung der Feldspitze ein Gebiet (vgl. (1b) in Fig. 4b) mit einer Net­ to-Dotierung des einen Leitungstyps unmittelbar an ein Ge­ biet (vgl. (1c) in Fig. 4b) mit einer Netto-Dotierung des anderen Leitungstyps angrenzt.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsschwelle für TRAPATT-Oszillationen über einer Stromdichte des zwischen den beiden Elektroden (S, D) fließenden Stromes von etwa 200 A/cm2 liegt.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspitze durch Protonenbestrahlung von der Drain­ seite gebildet ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Protonenbestrahlung auch zur Optimierung einer in­ trinsischen Diode des Halbleiterbauelementes vorgenommen ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Protonenbestrahlung mit einer ersten Protonenener­ gie vorgenommen ist.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Protonenbestrahlung mit einer Dosis von etwa 5 × 1011 Protonen/cm2 oder mehr und mit einer Energie von et­ wa 3,91 MeV vorgenommen ist.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Protonenbestrahlung auch mit einer zusätzlichen zweiten Protonenenergie, die niedriger als die erste Proto­ nenenergie ist, vorgenommen ist.
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Protonenbestrahlung mit der ersten Proto­ nenenergie erzeugtes erstes Protonenmaximum mit einem La­ dungsträger-Lebensdauerminimum nahe unter einer Gate- Isolierschicht (Gateoxid) im Bereich eines ersten Endes der Driftzone (7) gelegen ist.
12. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Protonenbestrahlung mit der zweiten Pro­ tonenenergie erzeugtes zweites Protonenmaximum mit einem La­ dungsträger-Lebensdauermaximum im Bereich eines dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende der Driftzone (7) gele­ gen ist.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Protonenmaximum 20 bis 30 µm unter der Gate- Isolierschicht (Gateoxid) liegt.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heliumbestrahlung von der Sourceseite aus vorge­ nommen ist.
15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Heliumbestrahlung erzeugtes Heliummaximum im Bereich des der Gate-Isolierschicht (Gateoxid) gegenüber­ liegenden Endes der Driftzone (7) erzeugt ist.
16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliumbestrahlung mit einer Dosis von (1 . . . 8) × 1010 Heliumionen cm2 durchgeführt ist.
17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliumbestrahlung mit einer Energie von 5 bis 8 MeV, insbesondere 6 bis 7,5 MeV, durchgeführt ist.
18. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus den Bereichen (1, 1', 1") des einen Leitung­ styps gebildete Kompensationssäule wenigstens teilweise floatend oder an eine Wannenzone (9) des einen Leitungstyps angeschlossen ist.
19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationssäule eine hexagonale oder streifenförmige oder schachbrettmusterartige oder rechteckförmige bzw. quadratische Struktur hat.
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