DE102006046844B4 - Power semiconductor component with field stop zone and method for producing such a power semiconductor component - Google Patents
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Abstract
Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterköper (1), in dem zwischen einer Vorderseite (11) und einer der Vorderseite (11) gegenüberliegenden Rückseite (12) in einer vertikalen Richtung (v) eine erste Halbleiterzone (10) von einem ersten Leitungstyp (p), eine zweite Halbleiterzone (20) von einem zum ersten Leitungstyp (p) komplementären zweiten Leitungstyp (n), und eine dritte Halbleiterzone (30) vom ersten Leitungstyp (p) aufeinander folgend angeordnet sind, wobei die zweite Halbleiterzone (20) – eine erste Teilzone (21) vom zweiten Leitungstyp (n) aufweist, die von der ersten Halbleiterzone (10) beabstandet ist, die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der ersten Halbleiterzone (10) und der ersten Teilzone (21) angeordnete Abschnitt (23) der zweiten Halbleiterzone (20) und deren Dotierungsdosis das 0,25-fache bis 0,75-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt, sowie – eine zweite Teilzone (22) vom zweiten Leitungstyp (n), die von der dritten Halbleiterzone (30) beabstandet ist, die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der dritten Halbleiterzone (30) und der zweiten Teilzone (22) angeordnete Abschnitt (24) der zweiten Halbleiterzone (20) und deren Dotierungsdosis das 0,25-fache bis 0,75-fache der Durchbruchsdotierungsdosis beträgt, wobei der Abstand der ersten Teilzone (21) von der Vorderseite (11) 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone (20) beträgt und der Abstand der zweiten Teilzone (22) von der Rückseite (12) 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone (20) beträgt.A semiconductor device comprising a semiconductor body (1), in which between a front side (11) and a rear side (12) opposite the front side (11) in a vertical direction (v) a first semiconductor zone (10) of a first conductivity type (p), a second semiconductor region (20) of a second conductivity type (n) complementary to the first conductivity type (p), and a third semiconductor region (30) of the first conductivity type (p) are arranged successively, the second semiconductor region (20) comprising a first partial region ( 21) of the second conductivity type (n) spaced from the first semiconductor region (10) having a higher net dopant concentration than the portion (23) disposed between the first semiconductor region (10) and the first subzone (21) second semiconductor zone (20) and its doping dose is 0.25 times to 0.75 times the breakdown doping dose, and a second sub-zone (22) of the second conductivity type (n), that of the third n semiconductor zone (30) which has a higher net dopant concentration than the section (24) of the second semiconductor zone (20) arranged between the third semiconductor zone (30) and the second subzone (22) and whose doping dose is 0.25 is up to 0.75 times the breakdown doping dose, wherein the distance of the first sub-zone (21) from the front side (11) 10% to 30% of the thickness of the second semiconductor zone (20) and the distance of the second sub-zone (22) the rear side (12) is 10% to 30% of the thickness of the second semiconductor zone (20).
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a power semiconductor component with field stop zone and a method for its production.
In der Leistungselektronik gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise Inverter-Topologien in Form von Matrixumrichtern, die Leistungsschalter erfordern, welche in beiden Richtungen hohe Spannungen sperren und die bei geeigneter Ansteuerung in einer Richtung oder in beiden Richtungen Strom führen können.In power electronics, there are a variety of applications, such as inverter topologies in the form of matrix converters, which require circuit breakers, which block high voltages in both directions and which can carry current in one direction or in both directions with suitable control.
Viele Leistungshalbleiterschalter sind nur in einer Richtung sperrend, während sie in der anderen Richtung entweder leitend sind (z. B. MOSFETs) oder nur eine reduzierte Sperrfähigkeit aufweisen (z. B. IGBTs), die deutlich geringer ist als die Sperrfähigkeit in Vorwärtsrichtung. Die Ursache hierfür kann in der vertikalen Struktur solcher Bauelemente wie auch in der Konstruktion von deren Randabschluss liegen.Many power semiconductor switches are off-circuit only in one direction while in the other direction they are either conductive (eg, MOSFETs) or have only reduced blocking capability (eg, IGBTs) that is significantly less than the forward blocking capability. The reason for this can lie in the vertical structure of such components as well as in the construction of their edge termination.
Zur Realisierung der Rückwärtssperrfähigkeit mit einem solchen Bauelement sind zwei Möglichkeiten bekannt.To realize the reverse blocking capability with such a device, two possibilities are known.
Eine erste Möglichkeit beruht auf Leistungshalbleiterschaltern mit einem in vertikaler Richtung unsymmetrischen Dotierungsprofil, die mit einer Diode in Serie geschaltet werden. Um die Vorwärtssperrfähigkeit zu optimieren, weisen solche Leistungsschalter in der Regel eine stark dotierte Feldstoppzone auf, wie dies am Beispiel des Verlaufs
Das Bauelement weist eine stark n-dotierte Feldstoppzone
Zur Erhöhung der Rückwärtssperrfähigkeit werden derartige Leistungsschalter üblicherweise mit einer Diode in Reihe geschaltet. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass im Durchlassfall mindestens zweimal eine Diodenspannung von 0,5 V bis 0,7 V an der Reihenschaltung abfällt.To increase the reverse blocking capability, such power switches are usually connected in series with a diode. The disadvantage here, however, that in the case of passage at least twice a diode voltage of 0.5 V to 0.7 V drops at the series circuit.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, das Halbleiterbauelement als NPT-Bauelement (NPT = Non-Punch-Through) auszubilden. Derartige NPT-Bauelemente weisen ein in vertikaler Richtung im Wesentlichen symmetrisches Dotierungsprofil mit geringer Dotierstoffkonzentration auf, wie dies beispielhaft in
Dem Vorteil einer nur einfachen Diodenschwelle bei einem solchen NPT-Bauelement im Durchlassfall steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass NPT-Bauelemente dickere Halbleiterchips erfordern, wodurch sowohl die Durchlassspannung als auch die Schaltverluste ansteigen. Die Chipdicken für ein NPT-Bauelement sind typischerweise um einen Faktor 1,5 größer als bei einem entsprechendem Bauelement mit Feldstoppzone.However, the disadvantage of having only a simple diode threshold in such an NPT device in the on-going case is offset by the disadvantage that NPT components require thicker semiconductor chips, as a result of which both the forward voltage and the switching losses increase. The chip thicknesses for an NPT device are typically greater by a factor of 1.5 than for a corresponding field stop zone device.
Aus der
Aus der
Aus der
Die
Die
Aus der
Die
Die nachveröffentlichte
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit verbesserter Rückwärtssperrfähigkeit bereitzustellen, bei dem die konkurrierenden Größen Durchlassspannung, Speicherladung und Stoßstromfestigkeit in einem optimierten Verhältnis zueinander stehen.The object of the present invention is to provide a semiconductor device as well as a method for producing a semiconductor device with improved reverse blocking capability in which the competing variables forward voltage, storage charge and surge current stability are in an optimized relationship.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements gemäß den Patentansprüchen 30 und 32 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by a semiconductor component according to
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper auf, in dem zwischen einer Vorderseite und einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite in einer vertikalen Richtung eine erste Halbleiterzone von einem ersten Leitungstyp, eine zweite Halbleiterzone von einem zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp und eine dritte Halbleiterzone vom ersten Leitungstyp aufeinanderfolgend angeordnet sind.The semiconductor device of the present invention comprises a semiconductor body in which a first semiconductor region of a first conductivity type, a second semiconductor region of a second conductivity type complementary to the first conductivity type, and a third semiconductor region of the first conductivity type are sequentially connected in a vertical direction between a front side and a front side opposite to the front side are arranged.
Die zweite Halbleiterzone weist eine erste Feldstoppzone vom zweiten Leitungstyp auf, die von der ersten Halbleiterzone beabstandet ist, und die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone.The second semiconductor zone has a first field stop zone of the second conductivity type spaced from the first semiconductor zone and having a higher net dopant concentration than the portion of the second semiconductor zone disposed between the first semiconductor zone and the first field stop zone.
Außerdem umfasst die zweite Halbleiterzone eine Feldstoppzone ebenfalls vom zweiten Leitungstyp, die von der dritten Halbleiterzone beabstandet ist und die eine höhere Netto-Dotierstoffkonzentration aufweist als der zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone.In addition, the second semiconductor zone includes a second conductivity type field stop zone spaced from the third semiconductor zone and having a higher net dopant concentration than the second semiconductor zone portion disposed between the third semiconductor zone and the second field stop zone.
Dabei beträgt die Dotierungsdosis der ersten Feldstoppzone und/oder die Dotierungsdosis der zweiten. Feldstoppzone das 0,25-fache bis 0,75-fache, vorzugsweise etwa das 0,5-fache der so genannten Durchbruchsdotierungsdosis. Diese ist dotierungsabhängig und liegt in Siliziumbauelementen typischerweise zwischen 1,3 × 1012 cm–2 und 2 × 1012 cm–2.In this case, the doping dose of the first field stop zone and / or the doping dose of the second. Field stop zone 0.25 times to 0.75 times, preferably about 0.5 times the so-called breakthrough doping dose. This is doping-dependent and is typically between 1.3 × 10 12 cm -2 and 2 × 10 12 cm -2 in silicon devices .
Der Abstand der ersten Feldstoppzone von der Vorderseite und/oder der Abstand der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite beträgt typischerweise 10% bis 30% der Dicke der zweiten Halbleiterzone. Im Extremfall kann eine der Feldstoppzonen dicht unterhalb des pn-Übergangs liegen, wobei auch eine asymmetrische Anordnung der Feldstoppzonen im Halbleiterkörper gewählt werden kann.The distance of the first field stop zone from the front side and / or the distance of the second field stop zone from the rear side is typically 10% to 30% of the thickness of the second semiconductor zone. In extreme cases, one of the field stop zones may be located just below the pn junction, whereby an asymmetrical arrangement of the field stop zones in the semiconductor body may also be selected.
Die Dicke der ersten und zweiten Feldstoppzone in der vertikalen Richtung sollte so gering wie möglich gewählt werden und vorzugsweise weniger als 5% der Dicke der zweiten Halbleiterschicht betragen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke dieser Feldstoppzonen weniger als 5 μm.The thickness of the first and second field stop zones in the vertical direction should be as low as possible, and preferably less than 5% of the thickness of the second semiconductor layer. In a further preferred embodiment, the thickness of these field stop zones is less than 5 μm.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die in der vertikalen Richtung gemessenen Dicken der zwischen der ersten und der zweiten Feldstoppzone, der zwischen der ersten Feldstoppzone und der ersten Halbleiterzone sowie der zwischen der zweiten Feldstoppzone und der dritten Halbleiterzone gelegenen Abschnitte der zweiten Halbleiterzone so gering wie möglich zu wählen.Furthermore, it is advantageous for the thicknesses measured in the vertical direction between the first and the second field stop zone located between the first field stop zone and the first semiconductor zone and between the second field stop zone and the third semiconductor zone to be as small as possible choose.
Das Ziel dieser Maßnahme besteht darin, die vertikale Verteilung des elektrischen Feldes im Halbleiterbauelement so einzustellen, dass einerseits das örtliche Integral der Feldstärke über die Raumladungszone in der vertikalen Richtung des Bauelements, d. h. der Spannungsabfall über die Raumladungszone in der vertikalen Richtung, deutlich höher ist und andererseits die sich bei voller Sperrspannung ergebende vertikale Ausdehnung der neutralen Zone deutlich größer ist als bei einem entsprechenden konventionellen Halbleiterbauelement.The aim of this measure is to adjust the vertical distribution of the electric field in the semiconductor device so that on the one hand the local integral of the field strength over the space charge zone in the vertical direction of the device, d. H. the voltage drop across the space charge zone in the vertical direction, is significantly higher and on the other hand, the resulting at full reverse voltage vertical extension of the neutral zone is significantly larger than in a corresponding conventional semiconductor device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abmessung des zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone in der vertikalen Richtung größer oder gleich der Abmessung des zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone in der vertikalen Richtung. According to a preferred embodiment of the invention, the dimension of the portion of the second semiconductor region located between the first semiconductor zone and the first field stop zone in the vertical direction is greater than or equal to the dimension of the portion of the second semiconductor region disposed between the third semiconductor zone and the second field stop zone in the vertical direction ,
Der zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der ersten Feldstoppzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone weisen bevorzugt eine Netto-Dotierstoffkonzentration von kleiner oder gleich 1 × 1014 cm–3, besonders bevorzug von kleiner oder gleich 1 × 1013 cm–3 auf.The section of the second semiconductor zone arranged between the first semiconductor zone and the first field stop zone and / or the section of the second semiconductor zone arranged between the third semiconductor zone and the second field stop zone and / or the section of the second semiconductor zone arranged between the first field stop zone and the second field stop zone are preferred a net dopant concentration of less than or equal to 1 × 10 14 cm -3 , more preferably less than or equal to 1 × 10 13 cm -3 .
Außerdem weisen der zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder der zwischen der ersten Feldstoppzone und der zweiten Feldstoppzone angeordnete Abschnitt der zweiten Halbleiterzone vorzugsweise eine Dotierstoffdosis von kleiner oder gleich 25% der Durchbruchsdotierungsdosis auf.Furthermore, the section of the second semiconductor zone arranged between the first semiconductor zone and the first field stop zone and / or the section of the second semiconductor zone arranged between the third semiconductor zone and the second field stop zone and / or the section of the second semiconductor zone arranged between the first field stop zone and the second field stop zone preferably a dopant dose of less than or equal to 25% of the breakthrough doping dose.
Die Netto-Dotierstoffkonzentration des zwischen der ersten Halbleiterzone und der ersten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone kann gleich, größer oder kleiner als die Netto-Dotierstoffkonzentration des zwischen der dritten Halbleiterzone und der zweiten Feldstoppzone angeordneten Abschnitts der zweiten Halbleiterzone gewählt werden.The net dopant concentration of the portion of the second semiconductor zone disposed between the first semiconductor zone and the first field stop zone may be selected equal to, greater than or less than the net dopant concentration of the portion of the second semiconductor zone located between the third semiconductor zone and the second field stop zone.
Herstellungsbedingt weisen die erste und die zweite Feldstoppzone jeweils eine Stelle oder einen Bereich auf, an der bzw. in dem die betreffende Feldstoppzone eine maximale Netto-Dotierstoffkonzentration besitzt. Dabei ist der vertikale Abstand der Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone von der Vorderseite vorzugsweise größer oder gleich dem vertikalen Abstand der Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite des Halbleiterkörpers.As a result of the production, the first and second field stop zones each have a location or a region at which the respective field stop zone has a maximum net dopant concentration. In this case, the vertical distance of the point of maximum net dopant concentration of the first field stop zone from the front side is preferably greater than or equal to the vertical distance of the point of maximum net dopant concentration of the second field stop zone from the rear side of the semiconductor body.
Eine solche Feldstoppzone verläuft vorzugsweise zumindest in bestimmten Abschnitten des Halbleiterbauelements als im Wesentlichen ebene Schicht und kann beispielsweise als durchgehende Schicht, streifenartig, netzartig oder inselartig ausgebildet sein, wobei die genannten Ausgestaltungen verschiedener Feldstoppzonen desselben Halbleiterbauelements unabhängig voneinander gewählt und beliebig miteinander kombiniert werden können. Eine strukturierte Ausgestaltung der Feldstoppzone erfordert zwar einen höheren fertigungstechnischen Aufwand, allerdings weist das Bauelement dann ein verbessertes Einschaltverhalten auf.Such a field stop zone preferably extends at least in certain sections of the semiconductor component as a substantially planar layer and may be formed, for example, as a continuous layer, strip-like, reticulated or island-like, said embodiments of different field stop zones of the same semiconductor device can be selected independently and combined with each other. Although a structured embodiment of the field stop zone requires a higher production outlay, however, the component then has an improved switch-on behavior.
Die erste und die zweite Feldstoppzone sind im Allgemeinen voneinander beabstandet. Alternativ dazu können jedoch die erste Feldstoppzone und die zweite Feldstoppzone unmittelbar aneinander angrenzen oder aber identisch sein.The first and second field stop zones are generally spaced apart. Alternatively, however, the first field stop zone and the second field stop zone may be immediately adjacent to one another or may be identical.
Die erste Halbleiterzone kann sich bis zur Vorderseite des Halbleiterkörpers und/oder die dritte Halbleiterzone bis zur Rückseite des Halbleiterkörpers erstrecken. Ebenso können jedoch eine oder beide dieser Halbleiterzonen von der Vorderseite und/oder von der Rückseite beabstandet sein.The first semiconductor zone may extend to the front side of the semiconductor body and / or the third semiconductor zone to the rear side of the semiconductor body. Likewise, however, one or both of these semiconductor zones may be spaced from the front and / or the back.
Die Herstellung der ersten und/oder zweiten Feldstoppzonen oder optionaler einer oder mehrere weiterer Feldstoppzonen eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann beispielsweise mittels einer maskierten Implantation von Protonen und einem nachfolgenden Ausheil-Temperschritt erfolgen.The production of the first and / or second field stop zones or optionally one or more further field stop zones of a semiconductor component according to the invention can be effected for example by means of a masked implantation of protons and a subsequent annealing-annealing step.
Zwischen der Vorderseite des Halbleiterkörpers und der ersten Feldstoppzone und/oder zwischen der Rückseite des Halbleiterkörpers und der zweiten Feldstoppzone können zur Realisierung eines bestimmten Halbleiterbauelements, beispielsweise eines Thyristors, eines IGBTs, eines MOSFETs, etc., weitere Schichten, insbesondere dotierte Halbleiterschichten, vorgesehen sein.Between the front side of the semiconductor body and the first field stop zone and / or between the rear side of the semiconductor body and the second field stop zone, further layers, in particular doped semiconductor layers, may be provided for realizing a specific semiconductor device, for example a thyristor, an IGBT, a MOSFET, etc. ,
Die erste Feldstoppzone und/oder der zwischen der ersten Feldstoppzone und der Vorderseite gelegene Abschnitt der zweiten Halbleiterzone und/oder die erste Halbleiterzone und/oder ein gegebenenfalls vorhandener, zwischen der dritten Halbleiterzone und der Vorderseite gelegener Abschnitt des Halbleiterkörpers können zur Erzeugung einer Zellstruktur, beispielsweise der Zellstruktur eines IGBTs oder eines Thyristors, ausgebildet sein.The first field stop zone and / or the section of the second semiconductor zone located between the first field stop zone and the front side and / or the first semiconductor zone and / or an optionally present section of the semiconductor body located between the third semiconductor zone and the front side can be used to produce a cell structure, for example the cell structure of an IGBT or a thyristor.
Ist das Halbleiterbauelement als Thyristor ausgebildet, so stellen die erste Halbleiterzone und die zweite Halbleiterzone vorzugsweise die Basiszonen und die dritte Halbleiterzone und eine vierte Halbleiterzone vorzugsweise die Emitterzonen des Thyristors dar.If the semiconductor component is designed as a thyristor, the first semiconductor zone and the second semiconductor zone preferably represent the base zones and the third semiconductor zone and a fourth semiconductor zone preferably represent the emitter zones of the thyristor.
Weiterhin kann der erste Leitungstyp p-leitend und der zweite Leitungstyp n-leitend sein. Umgekehrt kann jedoch auch der erste Leitungstyp n-leitend und der zweite Leitungstyp p-leitend sein.Furthermore, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type. Conversely, however, the first conductivity type may also be n-type and the second conductivity type may be p-type.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments with reference to figures. In the figures show:
In den Figuren wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet. Sofern nicht anders angegeben zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Funktion.For the sake of clarity, a true-to-scale representation has been dispensed with in the figures. Unless otherwise indicated, like reference numerals indicate like parts having the same function.
Die Netto-Dotierungsdosis der ersten Feldstoppzone
Die zweite Halbleiterzone
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen der zwischen der ersten Halbleiterzone
Die erste Feldstoppzone
Der Abstand t1 der Stelle S1 maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone und/oder der Abstand t2 der Stelle S2 der maximalen Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone von der Rückseite
Die Abstände t1 und t2 sind vorliegend gleich groß gewählt. Da die Kippspannung eines Thyristors im Allgemeinen deutlich niedriger liegt als die Sperrspannung, kann die Tiefe t2 der anodenseitigen Feldstoppzone
Die mit einem erfindungsgemäßen Thyristor erzielbare Erhöhung von Sperr- und Kippspannung kann insbesondere dazu genutzt werden, bei einer vorgegebenen Sperr- und Kippspannung die Dicke t1 + t2 + t3 des Thyristors gegenüber der Dicke eines herkömmlichen Thyristors zu verringern.The achievable with a thyristor invention increase of blocking and breakover voltage can be used in particular to reduce the thickness t1 + t2 + t3 of the thyristor with respect to the thickness of a conventional thyristor at a predetermined blocking and breakover voltage.
Das Ziel dieser Anordnung besteht darin, die vertikale Verteilung des elektrischen Feldes so einzustellen, dass einerseits das Integral dieser Feldstärkeverteilung entlang der vertikalen Koordinate deutlich höher ist und andererseits die sich bei voller Sperrspannung ergebende vertikale Ausdehnung der neutralen Zone deutlich größer ist als beim konventionellen Thyristor.The aim of this arrangement is to set the vertical distribution of the electric field so that on the one hand, the integral of this field strength distribution along the vertical coordinate is significantly higher and on the other hand, resulting in full reverse voltage vertical extension of the neutral zone is significantly larger than the conventional thyristor.
Die Dicken d1 der ersten Feldstoppzone
Ein möglicher Verlauf
Der Vergleich zeigt deutlich, dass der erfindungsgemäße Thyristor nahezu über den gesamten Sperrspannungsbereich einen geringeren Sperrstrom aufweist als ein konventioneller Thyristor.The comparison clearly shows that the thyristor according to the invention has a lower reverse current almost over the entire reverse voltage range than a conventional thyristor.
Der Verlauf der Beträge der elektrischen Feldstärken dieser Thyristoren mit der (durchgezogenen) Kennlinie
Während der Betrag des elektrischen Feldes in der zweiten Halbleiterzone des konventionellen Thyristors linear zunimmt, zeigt der Betrag des elektrischen Feldes in der zweiten Halbleiterzone eines erfindungsgemäßen Thyristors einen stufenartigen Verlauf, wobei die Stellen des stufenartigen Anstiegs des Betrags der elektrischen Feldstärke jeweils am Ort der ersten und zweiten Feldstoppzone
Der gestrichelte Verlauf
Da die Prozessierung eines Thyristors in der Regel ausgehend von einem eine Grunddotierung aufweisenden Substrat erfolgt, entspricht die Netto-Dotierstoffkonzentration der dritten, vierten und fünften Teilzone
Für einen Thyristor gemäß dem Stand der Technik ergibt sich bei einer Netto-Dotierstoffkonzentration der n-dotierten Basis von 8,91·1012 cm–3 und einem Sperrstrom, von 100 mA eine Sperrspannung von 9,55 kV (Verlauf
Die Herstellung dieser Feldstoppzone
In gleicher Weise kann die zweite Feldstoppzone
In den
Die
Der Verlauf
Die stark n-dotierte erste Teilzone
Die Teilzonen
Im Unterschied zu
Alternativ zu dem Verlauf
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Verringert man ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß
Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel gemäß
Neben dem Verlauf
Die Ausführungsbeispiele gemäß den
Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt
Bei diesem Bauelement ist zwischen der ersten Halbleiterzone
Weiterhin zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Grundsätzlich können die erste und die zweite Feldstoppzone
So zeigt beispielsweise
Der IGBT weist eine Source-Elektrode
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements kann auf verschiedene Weise erfolgen. Im einfachsten Fall können alle oder einige der Halbleiterschichten
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in einem Halbleiterkörper, der eine schwache n-Grunddotierung aufweist, die erste Halbleiterzone
Die Herstellung der stark n-dotierten Feldstoppzonen
Eine weitere Alternative zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit zwei Feldstoppzonen ist in den
Jeder der Teilkörper
Der nach der Implantation der Protonen erforderliche Ausheilschritt kann sowohl vor als auch nach dem Zusammenfügen der Teilkörper
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Bauelementen mit zwei Feldstoppzonen beschrieben. Grundsätzlich kann die Anzahl der Feldstoppzonen jedoch beliebig gewählt werden. Weitere Feldstoppzonen sind vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Feldstoppzone als weitere Teilzonen der zweiten Halbleiterzone vorgesehen.The present invention has been described in terms of devices with two field stop zones. In principle, however, the number of field stop zones can be selected as desired. Further field stop zones are preferably provided between the first and the second field stop zone as further subzones of the second semiconductor zone.
Außerdem kann bei allen erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen die Herstellung der ersten und/oder der zweiten sowie optional einer oder mehrerer weiterer Feldstoppzonen mittels einer maskierten Implantation von Protonen und einem nachfolgenden Ausheil-Temperschritt erfolgen.In addition, in all the semiconductor components according to the invention, the production of the first and / or the second and optionally one or more further field stop zones can take place by means of a masked implantation of protons and a subsequent annealing-annealing step.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 1'1'
- erster Teilkörper des Halbeiterkörpersfirst part of the body of Halbeiterkörpers
- 1''1''
- zweiter Teilkörper des Halbeiterkörperssecond partial body of the Halbeiterkörpers
- 1010
- erste Halbleiterzonefirst semiconductor zone
- 1111
- Vorderseite des HalbleiterkörpersFront side of the semiconductor body
- 1212
- Rückseite des HalbleiterkörpersRear side of the semiconductor body
- 2020
- zweite Halbleiterzonesecond semiconductor zone
- 2121
- erste Teilzone der zweiten Halbleiterzone (erste Feldstoppzone)first sub-zone of the second semiconductor zone (first field stop zone)
- 21'21 '
- Zone des ersten TeilkörpersZone of the first part of the body
- 2222
- zweite Teilzone der zweiten Halbleiterzone (zweite Feldstoppzone)second sub-zone of the second semiconductor zone (second field-stop zone)
- 22'22 '
- Zone des zweiten TeilkörpersZone of the second partial body
- 2323
- dritte Teilzone der zweiten Halbleiterzonethird sub-zone of the second semiconductor zone
- 2424
- vierte Teilzone der zweiten Halbleiterzonefourth sub-zone of the second semiconductor zone
- 2525
- fünfte Teilzone der zweiten Halbleiterzonefifth sub-zone of the second semiconductor zone
- 3030
- dritte Halbleiterzonethird semiconductor zone
- 4040
- vierte Halbleiterzonefourth semiconductor zone
- 5050
- fünfte Halbleiterzonefifth semiconductor zone
- 6161
- Source-ElektrodeSource electrode
- 6262
- Drain-ElektrodeDrain
- 6363
- Gate-ElektrodeGate electrode
- 6464
- Gate-DielektrikumGate dielectric
- 7070
- Protonenprotons
- 8181
- Verlauf der Netto-DotierstoffkonzentrationCourse of the net dopant concentration
- 8282
- Verlauf des elektrischen Feldes in VorwärtsrichtungCourse of the electric field in the forward direction
- 8383
- Verlauf des elektrischen Feldes in RückwärtsrichtungCourse of the electric field in the reverse direction
- 9090
- Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrrichtung (konventionell ausgelegter Thyristor)Current-voltage characteristic in the reverse direction (conventionally designed thyristor)
- 9191
- Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrrichtung (erfindungsgemäß ausgelegter Thyristor)Current-voltage characteristic in the reverse direction (thyristor designed according to the invention)
- 9292
- Verlauf des elektrischen Feldes (konventionell ausgelegter Thyristor)Course of the electric field (conventionally designed thyristor)
- 9393
- Verlauf des elektrischen Feldes (erfindungsgemäß ausgelegter Thyristor)Course of the electric field (inventively designed thyristor)
- 9595
- Sperrspannung eines Thyristors gemäß dem Stand der Technik bei einem Sperrstrom von 100 mABlocking voltage of a thyristor according to the prior art at a reverse current of 100 mA
- 9696
- Abhängigkeit von der Sperrspannung eines erfindungsgemäßen Thyristors bei einem Sperrstrom von 100 mA von der Netto-Dotierungsdosis der FeldstoppzoneDependence on the blocking voltage of a thyristor according to the invention at a blocking current of 100 mA from the net doping dose of the field stop zone
- 9797
- Abhängigkeit der Sperrspannung eines erfindungsgemäßen Thyristors bei einem Sperrstrom von 100 mA von der Netto-Dotierungsdosis der FeldstoppzoneDependence of the blocking voltage of a thyristor according to the invention at a blocking current of 100 mA on the net doping dose of the field stop zone
- A-A'A-A '
- Schnittebenecutting plane
- B-B'B-B '
- Schnittebenecutting plane
- d1d1
- Dicke der ersten Feldstoppzone in der vertikalen RichtungThickness of the first field stop zone in the vertical direction
- d2d2
- Dicke der zweiten Feldstoppzone in der vertikalen RichtungThickness of the second field stop zone in the vertical direction
- d20d20
- Dicke der zweiten HalbleiterzoneThickness of the second semiconductor zone
- d23d23
- Dicke der dritten Halbleiterzone in der vertikalen RichtungThickness of the third semiconductor region in the vertical direction
- d24d24
- Dicke der vierten Halbleiterzone in der vertikalen RichtungThickness of the fourth semiconductor region in the vertical direction
- d25d25
- Dicke der fünften Halbleiterzone in der vertikalen RichtungThickness of the fifth semiconductor region in the vertical direction
- Ee
- Elektrisches FeldElectric field
- NN
- Netto-DotierstoffkonzentrationNet dopant concentration
- Nmax1 N max1
- maximale Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzonemaximum net dopant concentration of the first field stop zone
- Nmax2 N max2
- maximale Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzonemaximum net dopant concentration of the second field stop zone
- rr
- laterale Richtunglateral direction
- S1S1
- Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten FeldstoppzoneSet the maximum net dopant concentration of the first field stop zone
- S2S2
- Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten FeldstoppzoneSet the maximum net dopant concentration of the second field stop zone
- t1t1
- Vertikalabstand der Stelle der maximalen Netto-Dotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone von der VorderseiteVertical distance of the location of the maximum net dopant concentration of the first field stop zone from the front
- t2t2
- Vertikalabstand der Stelle der maximalen Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten Feldstoppzone von der RückseiteVertical distance of the location of the maximum net dopant concentration of the second field stop zone from the back
- t3t3
- Vertikalabstand der Stelle maximaler NettoDotierstoffkonzentration der ersten Feldstoppzone von der Stelle maximaler Netto-Dotierstoffkonzentration der zweiten FeldstoppzoneVertical distance of the location of maximum net dopant concentration of the first field stop zone from the point of maximum net dopant concentration of the second field stop zone
- vv
- vertikale Richtungvertical direction
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