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Elektronisch
gesteuerte Schaltvorrichtungen, wie zum Beispiel ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOSFET) oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) werden
für unterschiedliche Anwendungen verwendet.
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Insbesondere
in Bezug auf, aber nicht beschränkt darauf, Leistungshalbleitervorrichtungen, die
starke Ströme umschalten können, sind ein niedriger
Widerstand im Durchlasszustand und eine hohe Durchbruchsspannung
im Sperrzustand wünschenswert. Das soll Verluste im Durchlasszustand
und mögliche Schäden im Sperrzustand bei höheren Spannungen,
die während des Betriebs der Vorrichtung auftreten können,
vermeiden. Leistungshalbleitervorrichtungen sind beispielsweise
in
DE 103 50 160 A1 und
US 3 959 808 beschrieben.
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Aus
diesen und weiteren Gründen besteht ein Bedarf für
die vorliegende Erfindung. Die obengenannten Probleme werden zumindest
teilweise abgemildert durch die Halbleitervorrichtungen gemäß der Ansprüche
1, 9, 10, 16 und 20 sowie das Verfahren nach Anspruch 21. Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung.
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Die
beliegenden Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis
der Ausführungsformen und sind Teil der Beschreibung. Die
Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen
gemeinsam mit der Beschreibung zum Erklären der Konzepte
der Ausführungsformen. Weitere Ausführungsformen
und viele der beabsichtigten Vorteile der Ausführungsformen
sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise zueinander maßstabgerecht.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche
Teile.
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1 veranschaulicht
eine Draufsicht auf eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform.
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2A veranschaulicht
einen vertikalen Querschnitt der Halbleitervorrichtung gemäß 1.
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2B veranschaulicht
einen weiteren vertikalen Querschnitt der Halbleitervorrichtung
gemäß 1.
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3 veranschaulicht
eine Draufsicht auf eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
anderen Ausführungsform.
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4 veranschaulicht
eine Draufsicht auf eine Anordnung einer Halbleitervorrichtung gemäß einer
anderen Ausführungsform.
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5A veranschaulicht
einen vertikalen Querschnitt eines Leistungs-JFET.
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5B veranschaulicht
einen vertikalen Querschnitt eines Leistungs-MOSFET.
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6 veranschaulicht
eine simulierte Verteilung des elektrischen Felds in einem vertikalen
Querschnitt eines Leistungs-JFET.
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7 veranschaulicht
eine Verteilung des simulierten elektrischen Felds in einem vertikalen Querschnitt
eines anderen Leistungs-JFET.
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8 veranschaulicht
Kurven des simulierten elektrischen Felds unter der Gate-Elektrode
der Leistungs-JFETs der 6 und 7.
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9 veranschaulicht
die simulierte Strom-Spannung Charakteristik der Leistungs-JFETs,
die in den 6 und 7 veranschaulicht
sind.
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In
der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die Zeichnungen
Bezug genommen, in welchen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen
gezeigt werden, gemäß welchen die Erfindung umgesetzt
werden kann. In diesem Hinblick wird eine Richtungsterminologie,
wie zum Beispiel „oben", „unten", „vorn", „hinten", „vorder", „hinter"
usw. unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en)
verwendet. Da die Bestandteile der Ausführungsformen in
einer Anzahl unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert werden
können, wird die Richtungsterminologie zum Zweck der Veranschaulichung
verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist
klar, dass andere Ausführungsformen verwendet und Struktur-
oder logische Änderungen vorgenommen werden können,
ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die folgende ausführliche Beschreibung darf daher nicht in
einem einschränkenden Sinn gesehen werden, und der Geltungsbereich
der vorliegenden Erfindung ist durch die anliegenden Ansprüche
definiert.
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Es
ist klar, dass die Merkmale der verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen,
die hier beschrieben werden, miteinander kombiniert werden können,
außer wenn dies spezifisch anders angegeben wird.
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Der
Begriff „lateral", wie er in dieser Beschreibung verwendet
wird, soll eine Ausrichtung parallel zu einer ersten Oberfläche
eines Halbleitersubstrats oder Körpers beschreiben. Das
kann zum Beispiel die Oberfläche eines Wafers oder eines
Chips sein. Die erste Ebene erstreckt sich im Wesentlichen parallel
zu der ersten Oberfläche und daher in einer lateralen Richtung.
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Der
Begriff „vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwendet
wird, soll eine Ausrichtung beschreiben, die senkrecht zu der ersten
Oberfläche und der ersten Ebene des Halbleitersubstrats
oder Körpers eingerichtet ist.
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Spezifische
Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung beschrieben
werden, betreffen spannungsgesteuerte Halbleiterwiderstände
und das Umschalten von Halbleitervorrichtungen, in einer Ausführungsform
feldeffektgesteuerte Leistungshalbleiterbauelemente, wie zum Beispiel
senkrechte JFETs und senkrechte MOSFETs.
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Es
wird hier eine Halbleitervorrichtung, in einer Ausführungsform
Leistungshalbleiterbauelemente, beschrieben, die einen strukturierten
Stromausbreitungsabschnitt oder -bereich aufweist sowie deren Herstellungsverfahren.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine
Halbleitervorrichtung bereitgestellt. Die Halbleitervorrichtung
weist einen Driftabschnitt vom ersten Leitfähigkeitstyp,
einen Stromausbreitungsabschnitt vom ersten Leitfähigkeitstyp
und erste Abschnitte vom ersten Leitfähigkeitstyp auf. Der
Stromausbreitungsabschnitt und die ersten Abschnitte, die zumindest
teilweise von dem Stromausbreitungsabschnitt umgeben sind, sind
in einer ersten Ebene auf dem Driftabschnitt angeordnet. Der Halbleiterkörper
weist ferner beabstandete Bodygebiete vom zweiten Leitfähigkeitstyp
auf, die auf dem Stromausbreitungsabschnitt angeordnet sind. Ferner ist
die Dotierungskonzentration des Stromausbreitungsabschnitts höher
als die Dotierungskonzentrationen des Driftabschnitts und der ersten
Abschnitte.
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Aufgrund
der höheren Leitfähigkeit des Stromausbreitungsabschnitts
kann der Strom breiter in dem Driftabschnitt ausgebreitet werden,
wodurch der Widerstand im Durchlasszustand der Vorrichtung sinkt.
Im Sperrzustand verringern die ersten Abschnitte des Driftabschnitts
die Stärke des elektrischen Felds in bestimmten Bereichen
des Halbleiterkörpers in der Nähe der Bodygebiete
und erhöhen dadurch die Durchbruchsspannung der Vorrichtung.
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1 veranschaulicht
eine Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung in einer
Draufsicht oder Projektion auf eine erste Ebene 40, die
im Wesentlichen zu einer ersten Oberfläche 30 eines
Halbleitersubstrats oder Körpers 20, wie in den 2A und 2B veranschaulicht,
parallel verläuft. In einem vertikalen Querschnitt kann
die Halbleitervorrichtung der 1 wie in 2A präsentiert
aufgebaut sein. Insbesondere veranschaulicht 2A einen
Abschnitt der Halbleitervorrichtung in einer Ebene d zwischen A'
und A, wie in 1 gezeigt. Die Ebene d verläuft
im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche 30 und
der ersten Ebene 40 des Halbleiterkörpers 20.
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Das
Halbleitersubstrat oder der Halbleiterkörper 20 kann
zum Beispiel ein Wafer oder ein Chip sein. Die Halbleitervorrichtung
weist einen Halbleiterkörper 20 auf, der zum Beispiel
aus Silikonkarbid (SiC) bestehen kann. Das Material des Halbleiterkörpers
ist jedoch nicht auf SiC beschränkt, und kann auch Si oder
GaN aufweisen.
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Der
Halbleiterkörper 20 weist einen ersten Halbleiterbereich 1 mit
einem ersten Leitfähigkeitstyp auf, der eine erste Dotierungskonzentration
aufweist. Typischerweise bildet der erste Halbleiterbereich 1 einen
Driftabschnitt 1 eines Driftbereichs 21. In der folgenden
Beschreibung wird der Begriff „Driftabschnitt" verwendet
und umfasst den Begriff „erster Halbleiterbereich". Das
sollte jedoch nicht als eine Einschränkung betrachtet werden.
Typischerweise kann der Driftabschnitt 1 eine erste Dotierungskonzentration
von etwa 1·1015/cm3 bis
etwa 1·1016/cm3 insbesondere
in dem Fall von SiC haben.
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Auf
dem Driftabschnitt 1 ist ein zweiter Halbleiterbereich 22 vom
ersten Leitfähigkeitstyp in der ersten Ebene 40,
die sich im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche 30 des
Halbleiterkörpers 20 erstreckt, angeordnet.
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Der
Begriff „in einer Ebene angeordnet" soll beschreiben, dass
die jeweiligen Halbleiterbereiche oder Halbleiterabschnitte von
der Ebene geschnitten werden. Wenn ein Halbleiterbereich oder Halbleiterabschnitt
mehr als einen Unterbereich aufweist, soll der Begriff „in
einer Ebene angeordnet" beschreiben, dass alle Unterbereiche von
der Ebene geschnitten werden. Typischerweise weist der zweite Halbleiterbereich
oder der zweite Halbleiterabschnitt 22 ein signifikant
kleineres Ausmaß in vertikaler Richtung auf und ist im
Wesentlichen parallel zu der ersten Ebene 40 ausgerichtet.
Ferner ist der zweite Halbleiterbereich oder -abschnitt 22 typischerweise
eben und hat eine schichtartige Anordnung.
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Der
zweite Halbleiterbereich 22 ist typischerweise in Kontakt
mit dem Driftabschnitt 1 und bildet als ein Teil des Driftbereichs 21 einen
strukturierten Stromausbreitungsbereich oder -abschnitt 22.
In der folgenden Beschreibung wird der Begriff „strukturierter
Stromausbreitungsbereich" verwendet und umfasst den Begriff „zweiter
Halbleiterbereich". Das sollte jedoch nicht als eine Einschränkung
ausgelegt werden.
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Der
strukturierte Stromausbreitungsbereich 22 weist zumindest
einen ersten Abschnitt 4 auf, der eine dritte Dotierungskonzentration
hat, und mindestens einen zweiten Abschnitt 2 mit einer
zweiten Dotierungskonzentration, die höher ist als die
dritte Dotierungskonzentration. Der erste Abschnitt 4 und
der zweite Abschnitt 2 sind typischerweise in der ersten Ebene 40 angeordnet.
Ferner sind der erste Abschnitt 4 und der zweite Abschnitt 2 vom
ersten Leitfähigkeitstyp. Sie gehören typischerweise
zu dem Driftbereich 21, wobei der zweite Abschnitt 2 einen Stromausbreitungsabschnitt 2 bildet.
In der folgenden Beschreibung wird der Begriff „Stromausbreitungsabschnitt"
verwendet und umfasst den Begriff „zweiter Abschnitt".
Das sollte jedoch nicht als eine Einschränkung ausgelegt
werden. Mit anderen Worten umfasst die Halbleitervorrichtung einen
Driftbereich 21, der den Driftabschnitt 1 und
den strukturierten Stromausbreitungsbereich 22 aufweist.
Der strukturierte Stromausbreitungsbereich 22 ist in der ersten
Ebene 40 auf dem Driftabschnitt 1 angeordnet und
umfasst erste Abschnitte 4 und den Stromausbreitungsabschnitt 2.
Der Stromausbreitungsabschnitt 2 weist die zweite Dotierungskonzentration auf,
die höher ist als die Dotierungskonzentration des Driftabschnitts 1.
Die zweite Dotierungskonzentration reicht typischerweise von etwa
1·1016/cm3 bis
etwa 1·1017/cm3,
insbesondere im Fall von SiC.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen und unter Bezugnahme
auf Leistungshalbleitervorrichtungen weist der strukturierte Stromausbreitungsbereich 22 mehrere
oder eine Vielzahl erster Abschnitte 4 auf.
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Typischerweise
sind die Dotierungskonzentrationen des Driftabschnitts 1 und
der ersten Abschnitte 4 im Wesentlichen gleich. Die ersten
Abschnitte 4 sind Bereiche des Driftbereichs 21,
die zum Beispiel während des Ausbildens der Stromausbreitungsabschnitte 2 nicht
dotiert werden, wie aus der unten folgenden Beschreibung hervorgeht.
Das vereinfacht den Herstellungsprozess und verringert daher insgesamt
die Produktionszeit und -kosten.
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Gemäß einer
oder mehreren Ausführungsformen sind die ersten Abschnitte 4 teilweise
von dem Stromausbreitungsabschnitt 2 umgeben. Bei einer
Projektion auf die erste Ebene 40 sind sie typischerweise
komplett von dem Stromausbreitungsabschnitt 2 umgeben.
Die ersten Abschnitte 4 sind gewöhnlich in Berührung
bzw. Kontakt mit dem Driftabschnitt 1. Die ersten Abschnitte 4 sind
daher nur teilweise von dem Stromausbreitungsabschnitt 2 in
einem senkrechten Querschnitt umgeben.
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Gewöhnlich
ist die laterale Ausdehnung des Stromausbreitungsabschnitts 2 größer
als seine vertikale Ausdehnung. Die vertikale Stärke des Stromausbreitungsabschnitts 2 liegt
typischerweise zwischen etwa 0,5 μm und etwa 1,0 μm,
beispielsweise für SiC. Ein typischer Sperrspannungsbereich
dieser Bauteile reicht von etwa 600 V bis etwa 1200 V. Mit anderen
Worten kann der Stromausbreitungsabschnitt 2 als eine Stromausbreitungsschicht
ausgebildet werden. In diesem Fall wird der strukturierte Stromausbreitungsbereich 22 als
eine strukturierte oder Verbund-Stromausbreitungsschicht 22 ausgebildet.
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Der
Halbleiterkörper 20 weist ferner mindestens einen
dritten Halbleiterbereich 3 vom zweiten Leitfähigkeitstyp
auf, der auf dem Stromausbreitungsabschnitt 2 auf einer
Seite entgegengesetzt zu dem Driftabschnitt 1 angeordnet
ist. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen entsprechen
der erste und der zweite Leitfähigkeitstyp dem n-Dotierungstyp bzw.
p-Dotierungstyp. Der Fachmann weiß, dass die Dotierung
umgekehrt werden kann. Die Dotierungskonzentration der dritten Halbleiterbereiche
reicht typischerweise von etwa 1·1018/cm3 bis 1·1020/cm3.
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Der
dritte Halbleiterbereich 3 kann ein Bodygebiet 3 bilden.
In der folgenden Beschreibung wird der Begriff „Bodygebiet"
verwendet und umfasst den Begriff „dritter Halbleiterbereich".
Das sollte jedoch nicht als eine Einschränkung ausgelegt
werden.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen in Zusammenhang mit
Leistungshalbleitervorrichtungen umfasst der Halbleiterkörper 20 mehrere
oder eine Vielzahl von Bodygebieten 3, die voneinander beabstandet
sind und daher mehrere oder eine Vielzahl von Halbleiterzellen bilden.
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Gewöhnlich
sind die Bodygebiete 3 mit dem Stromausbreitungsabschnitt 2 in
Berührung. Die Bodygebiete 3 sind auf dem Stromausbreitungsabschnitt 2 auf
einer Seite entgegengesetzt zu dem Driftabschnitt 1 angeordnet.
Ferner können die Bodygebiete 3 voneinander durch
Abstandsabschnitte 9 vom ersten Leitfähigkeitstyp
isoliert sein. Die Abstandsabschnitte 9 können
zumindest teilweise zu dem Driftbereich 21 gehören.
Daher können ihre Dotierungskonzentrationen im Wesentlichen
gleich der ersten Dotierungskonzentration sein.
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Der
erste Abschnitt 4 und der Abstandsabschnitt 9 können
ferner derart konzipiert sein, dass sie im Wesentlichen die gleiche
laterale Ausdehnung zumindest in einem ersten Querschnitt senkrecht
zu der ersten Ebene 40 haben. Der erste Abschnitt 4 und
der Abstandsabschnitt 9 können derart konzipiert
sein, dass der erste Abschnitt 4 eine größere
laterale Ausdehnung als der Abstandsabschnitt 9 in dem
ersten Querschnitt (senkrecht zu der ersten Ebene 40) hat.
In diesem Fall überlappen die Bodygebiete 3 im
Querschnitt teilweise die ersten Abschnitte 4, was sogar
zu einer günstigeren Verbesserung der Verteilung des elektrischen
Felds an kritischen Eck- oder kritischen Kantenbereichen der Bodygebiete
führt, wie aus der folgenden Beschreibung klarer hervorgeht
(siehe 2A).
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In
einem anderen Querschnitt (A''-A in 1), der
senkrecht zu der ersten Ebene 40, aber nicht parallel zu
dem ersten Querschnitt ist, ist der Stromausbreitungsbereich 22 nicht
strukturiert, und es existieren daher keine ersten Abschnitte 4.
Der Querschnitt A''-A ist in 2B veranschaulicht.
Der Stromausbreitungsabschnitt 22 erstreckt sich nämlich
in den Abstandsabschnitt 9, so dass die Abstandsabschnitte 9 im
Wesentlichen die gleiche Dotierungskonzentration haben wie der Stromausbreitungsabschnitt 2.
Typischerweise haben die Abstandsbereiche 9 zwischen Abschnitten
angrenzender Bodygebiete, die im Wesentlichen zueinander parallel
verlaufen, die gleiche Dotierungskonzentration wie der Stromausbreitungsabschnitt 2.
Durch Erhöhen der Dotierungskonzentration in diesen Abstandsbereichen 9 können
störende JFETs zwischen angrenzenden – Bodygebieten 3 verhindert
werden. Ferner kann der Widerstand der Vorrichtung in Durchlasszustand
verbessert werden.
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Zwischen
dem Bodygebiet 3 und den angrenzenden Bereichen, insbesondere
zwischen dem Bodygebiet 3 und jeweils dem Stromausbreitungsabschnitt 2 und
dem Abstandsabschnitt 9 werden typischerweise PN-Übergänge
ausgebildet.
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Beim
Betrieb der Halbleitervorrichtung wird ein Stromverlauf zumindest
teilweise innerhalb des Driftbereichs 21 ausgebildet, um
einen im Wesentlichen vertikalen Stromfluss bereitzustellen. Der
Widerstand der Vorrichtung kann durch Steuern der Ausdehnung eines
Verarmungsbereichs an bestimmten PN-Übergängen
angepasst werden. Um die Ohmschen Verluste im Durchlasszustand mit
niedrigem Widerstand zu verringern, wird der Strom in dem Driftabschnitt 1 durch
den Stromausbreitungsabschnitt 2 ausgebreitet. Die Dotierungskonzentration des
Stromausbreitungsabschnitts 2 überschreitet daher
typischerweise die erste Dotierungskonzentration um einen Faktor
von etwa 2 bis etwa 20.
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Bei
einer Ausführungsform, beispielsweise einer Leistungshalbleitervorrichtung
bzw. einem Leistungshalbleiterbauelement, sind mehrere oder eine Vielzahl
im Wesentlichen identischer Halbleiterzellen parallel geschaltet
und erhöhen dadurch den schaltbaren Strom. Dazu können
die Bodygebiete 3 in lateraler Richtung gleichmäßig
verteilt oder gitterartig in dem Halbleiterkörper 20 angeordnet
sein. Die in 1 und 3 veranschaulichte
Ausführungsform betrifft Anordnungen der Bodygebiete 3 auf
einem lateralen Quadratgitter bzw. auf einem lateralen dreieckigen
oder sechseckigen Gitter. Bei weiteren Ausführungsformen
können die Bodygebiete 3 jeweils auf einem eindimensionalen
Gitter oder auf einem Gitter mit rhombischer oder rechteckiger oder
sechseckiger Symmetrie oder auf irgendeinem regelmäßigen
lateralen Gitter angeordnet sein. Die 2A und 2B können
jede der Ausführungsformen betreffen, die gitterartig angeordnete
Bodygebiete 3 haben, insbesondere Anordnungen von Bodygebieten 3 auf einem
lateralen dreieckigen, sechseckigen oder quadratischen Gitter. Ferner
können die 2A und 2B Ausführungsformen
der Halbleitervorrichtungen mit wenigen oder sogar nur zwei Zellen
betreffen.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein jeweiliger
erster Abschnitt 4 in einer Draufsicht von einer Richtung
senkrecht zu der ersten Ebene 40 zumindest zwischen angrenzenden
Bodygebieten 3 in einer Zone, die von mindestens drei angrenzenden Bodygebieten 3 definiert
wird, angeordnet. Das bedeutet, dass die Kontur oder der Umriss
des ersten Abschnitts 4 in der Draufsicht komplett innerhalb
eines Bereichs liegt, der von den Mitten der mindestens drei angrenzenden
Bodygebiete 3 überspannt wird. Ein Beispiel, das
drei angrenzende Bodygebiete 3 entspricht, ist in 3 gegeben.
In dem Fall von vier angrenzenden Bodygebieten, wie zum Beispiel in
den 1 und 4 veranschaulicht, liegt die Kontur
oder der Umriss der jeweiligen ersten Abschnitte 4 komplett
innerhalb einer Zone, die von den Mitten von vier angrenzenden Bodygebiete 3 überspannt
wird.
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Mit
anderen Worten umfasst der Halbleiterkörper 20 der
Halbleitervorrichtung den ersten Halbleiterbereich 1 vom
ersten Leitfähigkeitstyp und den zweiten Halbleiterbereich 22 vom
ersten Leitfähigkeitstyp, der in der ersten Ebene 40 auf
dem ersten Halbleiterbereich 1 angeordnet ist. Der zweite
Halbleiterbereich umfasst mehrere oder eine Vielzahl erster Abschnitte 4 mit
der ersten Dotierungskonzentration und mindestens einen zweiten
Abschnitt 2 mit der zweiten Dotierungskonzentration, die
höher ist als die erste Dotierungskonzentration. Der Halbleiterkörper 20 weist
ferner mehrere oder eine Vielzahl dritter Halbleiterbereiche 3 vom
zweiten Leitfähigkeitstyp auf, die auf dem zweiten Abschnitt 2 des
zweiten Halbleiterbereichs 22 angeordnet sind. Ferner ist
ein jeweiliger erster Abschnitt 4 zumindest zwischen angrenzenden
dritten Halbleiterbereichen 3 in einem Gebiet eingerichtet,
die von mindestens zwei oder drei und insbesondere von mindestens
vier angrenzenden dritten Halbleiterbereichen 3 definiert
wird. Die Lage, in der die ersten Abschnitte 4 angeordnet sind,
hängt von dem Layout der Bodygebiete ab. Wenn man zum Beispiel
eine Streifenschicht in Betracht zieht, können erste Abschnitte
zwischen angrenzenden Streifen an ihren Enden eingerichtet werden,
da die Streifen dort Ecken oder zumindest gewölbte Bereiche
haben.
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Bei
einem sechseckigen Layout, wie in 3 veranschaulicht,
werden die ersten Abschnitte zwischen drei angrenzenden Bodygebieten 3 angeordnet,
während die ersten Abschnitte 4 zwischen vier angrenzenden
Bodygebieten in dem Fall des quadratischen Layouts der 1 eingerichtet
sind.
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In
einer Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zu der ersten Ebene 40 kann
der Umriss des ersten Abschnitts 4 den Umriss von mindestens
einem oder der mindestens zwei oder drei angrenzenden Bodygebiete 3 berühren
oder überqueren oder kann komplett zwischen den Umrissen
von mindestens zwei oder drei nebeneinander angrenzenden oder benachbarten
Bodygebiete liegen.
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Typischerweise
werden die Form und die Position des Umrisses der Abschnitte 4 derart
ausgewählt, dass die mittlere Entfernung und/oder Überlappung
mit jedem der mindestens drei benachbarten Bodygebiete 3 im
Wesentlichen in der Draufsicht gleich ist. Das stellt eine gleichförmige
Strom- und Lastverteilung zwischen den einzelnen Stromverläufen
und Zellen sicher. Ferner werden die ersten Abschnitte 4 gewöhnlich
einfach in einem mathematischen Sinn verbunden.
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Bei
der in 1 veranschaulichten Ausführungsform befindet
sich ein jeweiliger Abschnitt 4 in einer Draufsicht aus
einer Richtung senkrecht zu der ersten Ebene 40 zwischen
vier direkt benachbarten Bodygebieten 3 neben dem jeweiligen
ersten Abschnitt 4. Anders als hier, veranschaulicht 3 eine Ausführungsform,
bei der das Gebiet des jeweiligen ersten Abschnitts 4 in
der Draufsicht von Eckbereichen von Bodygebieten 3 nebeneinander
auf dem seitlichen sechseckigen oder dreieckigen Gitter begrenzt
ist.
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In
der Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zu der ersten Ebene 40 der
Ausführungsformen, die in 1 und 3 veranschaulicht
sind, ist ein jeweiliger erster Abschnitt 4 zentral zwischen
den nebeneinander liegenden Bodygebieten 3 angeordnet und
grenzt an sie an. Ferner sind die ersten Abschnitte 4 gitterähnlich
in Bezug zu der Anordnung der Bodygebiete 3 angeordnet.
Typischerweise sind die ersten Abschnitte 4 auf einem Gitter
angeordnet, das in Bezug auf das Gitter der Bodygebiete 3 versetzt
ist. Mit anderen Worten können die ersten Abschnitte 4 in
der Draufsicht interstitiell zwischen den Bodygebieten 3 angeordnet
werden. Typischerweise wird ein regelmäßiges Gitter
von den Mittenpositionen der Bodygebiete 3 und den ersten
Abschnitten 4 gebildet. Das stellt eine gleichförmig
zwischen der Vielzahl von Zellen der Leistungshalbleitervorrichtung
verteilte Last sicher.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen werden die ersten
Abschnitte 4 zumindest in einer Zone eingerichtet, in der
bei einer Projektion auf die erste Ebene 40 die Kontur
der Bodygebiete 3 zumindest teilweise bogenförmig
ist.
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Mit
anderen Worten kann der Halbleiterkörper 20 der
Halbleitervorrichtung den ersten Halbleiterbereich 1 vom
ersten Leitfähigkeitstyp und den zweiten Halb leiterbereich 22 vom
ersten Leitfähigkeitstyp umfassen, der in der ersten Ebene 40 auf dem
ersten Halbleiterbereich 1 angeordnet ist. Der zweite Halbleiterbereich
umfasst mindestens einen ersten Abschnitt 4 mit der ersten
Dotierungskonzentration und mindestens einen zweiten Abschnitt 2 mit der
zweiten Dotierungskonzentration, die höher ist als die
erste Dotierungskonzentration. Der Halbleiterkörper 20 weist
ferner mindestens einen dritten Halbleiterbereich 3 vom
zweiten Leitfähigkeitstyp auf, der auf dem zweiten Abschnitt 2 des
zweiten Halbleiterbereichs 22 eingerichtet ist. Ferner
hat der dritte Halbleiterbereich 3 in der Draufsicht aus
einer Richtung senkrecht zu der ersten Ebene 40 eine gebogene
oder gekrümmte Kontur zumindest in der Nähe des
ersten Abschnitts 4.
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Der
Begriff „gebogen" in Bezug auf einen Umriss oder eine Kontur,
wie bei dieser Beschreibung verwendet, beschreibt Punkte eines Umrisses oder
einer Kontur, die eine finite Biegung aufweisen oder eine Ecke sind.
Mit anderen Worten wird ein Umriss oder eine Kontur als in irgendeinem
Punkt, in dem der Umriss oder die Kontur von einer geraden Linie
abweicht, als gebogen betrachtet. Demgemäß entsprechen
die 1 und 3 Ausführungsformen,
bei welchen die ersten Abschnitte 4 in der Projektion auf
die erste Ebene 40 in solchen Zonen platziert werden, die
neben und an Zonen grenzen, wo der Umriss der Bodygebiete 3 jeweils
eine finite Biegung oder eine Ecke hat.
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Ferner
können die ersten Abschnitte 4 in der Draufsicht
aus einer Richtung senkrecht zu der ersten Ebene Zonen abdecken
oder mit diesen überlappen, in welchen die dritten Halbleiterbereiche
eine gebogene Kontur aufweisen.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird eine weitere Ausführungsform
beschrieben. Zusätzlich zu den in den 1 bis 3 veranschaulichten
Ausführungsformen ist ein fünfter Halbleiterbereich 5 vom
ersten Leitfähigkeitstyp auf jedem der Bodygebiete 3 angeordnet.
Typischerweise bildet der fünfte Halbleiterbereich 5 ein
Sourcegebiet. Er hat daher eine höhere Dotierungskonzentration
als ein Kanalbereich 10, wie unten erklärt. In
der folgenden Beschreibung wird der Begriff „Sourcegebiet"
verwendet und umfasst den Begriff „fünfter Halbleiterbereich".
Das sollte jedoch nicht als eine Einschränkung ausgelegt werden.
Die Dotierungskonzentration des Sourcegebiets 5 reicht
typischerweise von etwa 1·1019/cm3 zu etwa 1·1020/cm3.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Sourcegebiet 5 in
der Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zu der ersten Ebene 40 vom
Bodygebiet 3 umschlossen.
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Unter
Bezugnahme auf 5A werden weitere Ausführungsformen
beschrieben. Der Aufbau der in 5A veranschaulichten
Ausführungsform kann auf jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen
mit den erwähnten Vorteilen basieren. Ähnlich
wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht 5A einen
Halbleiterkörper 20, der einen Driftbereich 21 aufweist.
Der Driftbereich 21 weist den Driftabschnitt 1 vom
ersten Leitfähigkeitstyp und den strukturierten Stromausbreitungsbereich
oder der Schicht 22, der/die in der ersten Ebene 40 auf
dem Driftabschnitt 1 angeordnet ist, auf. Der strukturierte
Stromausbreitungsbereich oder die Schicht 22 weist in einem
Querschnitt senkrecht zu der ersten Ebene 40 mindestens
zwei Stromausbreitungsabschnitte 2 vom ersten Leitfähigkeitstyp auf,
die eine höhere Dotierungskonzentration haben als der Driftabschnitt 1,
und mindestens einen ersten Abschnitt 4 vom ersten Leitfähigkeitstyp,
der zwischen den zwei Stromausbreitungsabschnitten 2 angeordnet
ist und eine niedrigere Dotierungskonzentration aufweist als die
Stromausbreitungsabschnitte 2. Der Halbleiterkörper 20 weist
ferner in dem Querschnitt senkrecht zu der ersten Ebene 40 mindestens zwei
Bodygebiete 3 auf, die auf den Stromausbreitungsabschnitten 2 auf
einer Seite entgegengesetzt zu dem Driftabschnitt 1 angeordnet
sind, und mindestens zwei Sourcegebiete 5 vom zweiten Leitfähigkeitstyp.
Die Sourcegebiete 5 sind auf den Bodygebieten 3 angeordnet,
die durch mindestens einen Abstandsabschnitt 9 vom ersten
Leitfähigkeitstyp beabstandet sind, der auf dem ersten
Abschnitt 4 der strukturierten Stromausbreitungsschicht 22 angeordnet
ist.
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Eine
Vorderelektrode 51 kann auf der ersten Oberfläche 30 des
Halbleiterkörpers 20 und in Kontakt mit dem Sourcegebiet 5 angeordnet
sein. Typischerweise wird ein PN-Übergang zwischen dem
Bodygebiet 3 und dem angrenzenden Sourcegebiet 5 ausgebildet.
Um das Vorspannen dieses PN-Übergangs zu vermeiden, kann
zusätzlich ein elektrischer Kontakt zwischen der Vorderelektrode 51 und
dem Bodygebiet 3 bereitgestellt werden. Ferner können mehrere
oder eine Vielzahl von Bodygebieten 3 und/oder Sourcegebieten 5 mit
einer Frontelektrode 51 in Kontakt sein.
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Zur
Veranschaulichung enthält 5 Symbole,
die den typischen Dotierungsbeziehungen entsprechen. In diesem Fall
beziehen sich n und p jeweils auf n-Dotierung und p-Dotierung. Der
Fachmann weiß, dass das Dotieren umgekehrt werden kann.
Dotierungskonzentrationen, die höher und niedriger sind
als bestimmte Konzentrationen sind durch jeweils Hochstellung von „+"
und „–" angegeben.
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Zusätzlich
kann ein Drainbereich oder Draingebiet 8 vom ersten Leitfähigkeitstyp
unter dem Driftabschnitt 1 des Driftbereichs 21 eingerichtet
werden. Der Drainbereich 8 hat gewöhnlich eine
vergleichsweise hohe Dotierungskonzentration n+,
typischerweise im Bereich von etwa 1·1018/cm3 bis etwa 1·1020/cm3, und kann an den Driftabschnitt 1 des Driftbereichs 21 angrenzen.
Ferner kann ein Feldstoppgebiet 7 vom ersten Leitfähigkeitstyp
zwischen dem Driftabschnitt 1 und dem Drainbereich 8 angeordnet
sein. Das Feldstoppgebiet 7 hat eine Dotierungskonzentration
n, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration n+ des
Drainbereichs 8, aber höher als die Dotierungskonzentration
n– des Driftabschnitts 1.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen ist der Drainbereich 8 mit
einer Rückseitenmetallisierung oder Rückseitenelektrode 81 verbunden.
Die Rückseitenelektrode 81 ist typischerweise
auf einer zweiten Oberfläche 31 zu der ersten
Oberfläche 30 entgegengesetzt ausgebildet. Ferner
können mehrere oder eine Vielzahl von Zellen eine Rückseitenelektrode
berühren. Das ist besonders bei Leistungshalbleitervorrichtungen
von Nutzen.
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Der
Halbleiterkörper 20 kann ferner einen vierten
Halbleiterbereich 10 vom ersten Leitfähigkeitstyp
aufweisen, der auf und in Kontakt mit den Bodygebieten 3 angeordnet
ist und daher PN-Übergänge bildet. Der vierte
Halbleiterbereich 10 bildet typischerweise einen Kanalbereich 10.
In der folgenden Beschreibung wird der Begriff „Kanalbereich"
verwendet und umfasst den Begriff „vierter Halbleiterbereich".
Das sollte jedoch nicht als eine Einschränkung ausgelegt
werden.
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Typischerweise
ist das Sourcegebiet 5 auch in Kontakt mit dem Kanalbereich 10,
um einen Kontakt mit niedrigem Widerstand des Kanalbereichs 10 bereitzustellen.
Mit anderen Worten grenzt das Sourcegebiet 5 an einen jeweiligen
Kanalbereich 10.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Dotierungskonzentration
des Kanalbereichs 10 höher als die Dotierungskonzentration
n– des Driftabschnitts 1.
Die Dotierungskonzentration des Kanalbereichs 10 definiert
die Pinch-off-Spannung und sollte daher entsprechend eingestellt
werden. Ferner kann der Kanalbereich 10 mit dem Abstandsbereich 9 in
Kontakt sein, der typischerweise ebenfalls eine Dotierungskonzentration
hat, die im Wesentlichen gleich ist wie die Dotierungskonzentration
n– des Driftabschnitts 1.
Daher wird ein unipolarer Stromverlauf zwischen dem Driftabschnitt 1 und
den Sourcegebieten 5 durch den ersten Abschnitt 4,
den Abstandsabschnitt 9 und den Kanalbereich 9 bereitgestellt.
Da die Abstandsbereiche 9 in Bereichen, in welchen zwei
angrenzende Bodygebiete 9 im Wesentlichen parallel zueinander
verlaufen (siehe 1 und 2B), höher
dotiert sind, tragen diese Bereiche aufgrund ihres verringerten
Widerstands im Vergleich zu den niedrig dotierten Abstandsabschnitten 9 signifikant
zu dem Stromverlauf im Durchlasszustand (2A) bei.
Der Kanalbereich 10 kann mit mehreren Bodygebieten 3 und
Sourcegebieten 5 in Kontakt sein. Dadurch können
die jeweiligen Sourcegebiete 5 mehrerer oder einer Vielzahl
von Zellen, von zum Beispiel einer Leistungshalbleitervorrichtung
durch einen unipolaren Stromverlauf mit dem Driftabschnitt 1 verbunden
werden.
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Typischerweise
ist die laterale Ausdehnung des Kanalbereichs 10 größer
als seine vertikale Ausdehnung. Mit anderen Worten erstreckt sich
der Kanalbereich 10 im Wesentlichen entlang einer lateralen
Ebene. Ferner kann sich der Kanalbereich 10 zumindest teilweise
in den Abstandsabschnitt 9 erstrecken oder teilweise auf
dem Abstandsabschnitt 9 angeordnet und mit ihm in Kontakt
sein. Die vertikale Stärke des Kanalbereichs 10 erstreckt
sich typischerweise von etwa 500 nm zu etwa 3 μm.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen ist mindestens ein
sechster Halbleiterbereich 6 vom zweiten Leitfähigkeitstyp
auf dem Kanalbereich 10 angeordnet und mit ihm in Kontakt
und bildet daher einen PN-Übergang. Typischerweise bildet
der sechste Halbleiterbereich 6 einen Gate-Bereich. In der
folgenden Beschreibung wird der Begriff „Gate-Bereich"
verwendet und umfasst den Begriff „sechster Halbleiterbereich".
Das sollte jedoch nicht als eine Einschränkung ausgelegt
werden. Der Gate-Bereich 6 ist typischerweise auf dem Kanalbereich 10 angeordnet,
so dass der Kanalbereich 10 zwischen den Bodygebiets 3 und
dem Gate-Bereich 6 eingerichtet ist. Die Dotierungskonzentration
des Gate-Bereichs 6 (p+) ist typischerweise
höher als die Dotierungskonzentration des Bodygebiets 3.
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Der
Halbleiterkörper 20 kann ferner eine Gate-Elektrode 61 in
Kontakt mit dem Gate-Bereich 6 aufweisen. Ferner können
mehrere oder eine Vielzahl von Gate-Bereichen 6 mit einer
gemeinsamen Gate-Elektrode 61 in Kontakt sein.
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Die
in 5A veranschaulichte Ausführungsform betrifft
einen JFET, insbesondere einen vertikalen JFET. Wenn die Dotierstoffe
wie in 5A angegeben verteilt sind,
betrifft die veranschaulichte Ausführungsform einen n-Kanal-JFET.
Wenn ein Spannungsunterschied zwischen der Sourceelektrode 51 und
der Rückseitenelektrode 81 angelegt wird, kann
ein elektrischer Strom zwischen den zwei Elektroden durch die n-Dotierungs-Zonen
der 5A (Durchlasszustand) fließen. Die Sourceelektrode 51 kann
geerdet sein, während eine positive Spannung, zum Beispiel
von einigen V oder darüber an die Rückseitenelektrode 81 angelegt
wird. Die Vorrichtung hat einen relativ niedrigen Widerstand, weil
der Strom lateral weiter in den Driftabschnitt 1 durch
den Stromausbreitungsabschnitt 2 ausgebreitet wird. Der Stromfluss
oder der Widerstand der Vorrichtung kann nun durch eine typischerweise
negative Gate-Spannung der Gate-Elektrode 61 gesteuert
werden, die typischerweise in dem Bereich von etwa –10
V bis etwa –30 V liegt. Das ist darauf zurückzuführen,
dass die Ausdehnung des Verarmungsbereichs um die PN-Übergänge
durch die Gate-Spannung gesteuert werden kann. Da die Dotierungskonzentration
der Regionen mit dem p-Dotierungstoff p+ (Bodygebiet 3, Gate-Bereiche 6)
typischerweise höher ist als die Dotierungskonzentration
des Kanalbereichs n, hat der Verarmungsbereich eine größere
Ausdehnung in dem Kanalbereich 10. Höhere negative
Gate-Spannungen entsprechen größeren Verarmungsbereichen
und daher höheren Widerständen. Bei einer hohen
negativen Schwell-Gate-Spannung wird die Vorrichtung ausgeschaltet
(Sperrzustand). Zu beachten ist, dass in dem Fall eines p-Kanal-JFET,
bei dem die Dotierung umgekehrt ist, eine hohe positive Gate-Source-Spannung
erforderlich ist, um die Vorrichtung auszuschalten.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen ist eine Vielzahl
von Zellen mit einer gemeinsamen Frontelektrode 51 und
einer gemeinsamen Rückseitenelektrode 81 verbunden.
Mit anderen Worten ist die Halbleitervorrichtung ein Leistungs-JFET,
der den Driftbereich 21 aufweist, der wiederum den Driftabschnitt 1 und
die strukturierte Stromausbreitungsschicht 22 umfasst.
Die strukturierte Stromausbreitungsschicht 22 umfasst Bereiche
mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen: der Stromausbreitungsabschnitt 2 hat
eine Dotierungskonzentration, die höher ist als die Dotierungskonzentration
des Driftabschnitts 1 und der ersten Abschnitte 4.
Ferner kann der Leistungs-JFET als ein vertikales Halbleiterelement
ausgebildet werden.
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Im
Sperrzustand kann eine hohe elektrische Feldstärke an oder
in der Nähe bestimmter PN-Übergänge des
Halbleiterbauelements auftreten. Bei ausreichend hohen Spannungen
kann ein elektrischer Durchbruch, zum Beispiel durch einen Lawinenprozess
auftreten. Das beschränkt die Schaltfähigkeit der
Halbleitervorrichtung. Wie in den 6 bis 9 ersichtlich,
treten die höchsten elektrischen Felder gewöhnlich
an oder nahe den Kanten und Ecken der PN-Übergänge
auf und hängen von deren räumlicher Biegung ab.
Insbesondere kann nahe an dem PN-Übergang zwischen dem
Bodygebiet 3 und dem Driftabschnitt 1 eine hohe
elektrische Feldstärke erwartet werden. Der Absolutwert
der Feldstärke bei einem gegebenen Spannungsabfall hängt
ferner von den Entfernungen zum Beispiel zwischen benachbarten Bodygebieten 3 und
von den Dotierungskonzentrationen ab. Die 6 bis 9 veranschaulichen
zweidimensionale Simulationen von Halbleitervorrichtungen, die keinen
Stromausbreitungsabschnitt 2 oder keine Stromausbreitungsschicht 2 aufweisen.
Abgesehen davon ist der Aufbau der Vorrichtungen, die für
die Simulationen verwendet werden, im Wesentlichen ähnlich
dem Aufbau, der in den 5A und 5B veranschaulicht
ist. Der unterschiedliche Aufbau des Sourcegebiets 5 und
der Vorderelektrode 51 in den 6 und 7 beeinflusst die
Simulation nicht.
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Die 6 und 7 entsprechen
vertikalen Querschnitten durch Halbleitervorrichtungen. Da die 6 und 7 eine
zweidimensionale Simulation sind, würden die veranschaulichten
Strukturen in der Hauptsache einem Streifenlayout entsprechen, sie sind
aber auch eine ausreichend gute Annäherung der Verteilung
des elektrischen Felds vergleichbarer Layouts. Verglichen mit den 5A und 5B ist nur
die Verteilung des elektrischen Felds auf der linken Hälfte
der Vorrichtung dargestellt. In dem inaktiven Zustand wird die höchste
absolute elektrische Feldstärke, in dem vertikalen Querschnitt,
unter der Ecke des Bodygebiets 3 gegenüber einem
nicht veranschaulichten benachbarten rechten Bodygebiet 3 beobachtet.
Der seitliche Abstand der zwei benachbarten Körperbereiche 3 ist
im Vergleich zu 6 in 7 etwa 2,4-mal
größer. Das ergibt eine um etwa 7% höhere
maximale elektrische Feldstärke in der Vorrichtung. Die
Durchbruchsspannung der Vorrichtung sinkt daher mit steigender lateraler
Entfernung zwischen zwei Bodygebiete 3. Wenn mehrere Bodygebiete 3 daher
zum Beispiel auf einem Gitter wie dem quadratischen Gitter, das
in 1 veranschaulicht ist, angeordnet werden, wird
erwartet, dass der Durchschlag nahe den Bodygebieten 3 und
in Zonen zwischen mehr als zwei benachbarten, das heißt
vier benachbarten Bodygebieten 3 in dem Fall des quadratischen
Gitters auftritt. Das ist darauf zurückzuführen,
dass die Entfernung b (siehe 1) zwischen
diagonal benachbarten Bodygebieten 3 etwa 1,4-mal höher
ist (für quadratische Bodygebiete 3 ausgerichtet
parallel zu dem Gitter wie in 1) als zwischen benachbarten
Bodygebieten 3 in Gitterrichtung.
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Wenn
man die typischerweisen Eckenrundung der Bodygebiete 3 berücksichtigt,
ist die Entfernung b zwischen diagonal benachbarten Bodygebieten 3 etwa
2,5-mal größer als die Entfernung a in Gitterrichtung
(1). Wenn ein Stromausbreitungsbereich 2 mit
einer höheren Leitfähigkeit oder Dotierungskonzentration
zusätzlich auf dem Driftbereich 1 bereitgestellt
wird, ist die Verteilung des elektrischen Felds nahe den Bodygebieten 3 einer
solchen Vorrichtung homogener, wenn erste Abschnitte 4 mit niedrigerer
Leitfähigkeit nahe den kritischen Bereichen eingerichtet
werden. Das ist darauf zurückzuführen, dass die
elektrische Feldstärke in verarmten Bereichen mit niedriger
Leitfähigkeit niedriger ist.
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Zusätzlich
ist die elektrische Feldstärke in dem Durchlasszustand
unter dem PN-Übergang des Gate-Bereichs 6 höher,
wenn die Beabstandung zwischen den benachbarten Bodygebieten 3 größer
ist. Das ist quantitativ in 8 veranschaulicht.
Die Kurven 11 und 12 entsprechen der elektrischen
Feldstärke jeweils an dem rechten Rand der 7 und 8.
Die y-Koordinate gibt die Entfernung von der oberen Fläche
(erste Oberfläche 30) in relativen Einheiten an.
Nahe dem Gate-Bereich 6 ist das elektrische Feld in dem
Fall der weiter beabstandeten Bodygebiete 3 der 7 (Kurve 11)
deutlich höher als bei den weniger beabstandeten Bodygebieten 3 (Kurve 12)
der 6. Die elektrische Feldstärke wäre
in dem Fall eines ununterbrochenen Stromausbreitungsbereichs sogar
noch ausgeprägter.
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Ferner
wird die Verteilung des elektrischen Felds in der Nähe
der Bodygebiete 3 von der Biegung der PN-Übergänge
beeinflusst. Das ist qualitativ in 9 erklärt,
die die Strom-Spannungs-Kenndaten von JFETs im Sperrzustand zeigt.
Dabei entsprechen die durchgehenden Linien 13 und 14 Halbleitervorrichtungen
wie die in 7 bzw. 6 veranschaulichten,
die jeweils gerade PN-Übergänge zwischen Bodygebieten 3 und
Abstandsabschnitten 9 haben, wobei die Linie 14 die
Charakteristik einer Vorrichtung veranschaulicht, die eine größere
laterale Beabstandung zwischen angrenzenden Bodygebieten hat. Bei
mäßigen Spannungen fließt vergleichsweise
nur niedriger Strom. Zu beachten ist, dass der Strom auf einer logarithmischen
Skala eingetragen ist. Über einem bestimmten Schwellenwert
steigt der Strom plötzlich mit der Spannung, das heißt,
dass ein Lawinendurchbruch auftritt. Wie aufgrund der Verteilungen
des elektrischen Felds der 6 und 7 erwartet
werden kann, ist die Durchbruchsspannung für höhere
Entfernungen zwischen benachbarten Körperbereichen 3 (7)
niedriger.
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Die
gestrichelten Linien 15 und 16 betreffen ähnliche
Simulationen in zylindrischer Symmetrie. Mit anderen Worten werden
die Bodygebiete 3 als dünne Zylinder ausgebildet
und haben daher in Projektion auf der ersten Ebene 40 eine
runde oder gebogene Kontur. Die Entfernung zwischen benachbarten
Bodygebieten 3 ist für die zwei Kurven 13 und 15 einerseits
und für die zwei Kurven 14 und 16 andererseits
gleich. Die durchgehenden Linien 13 und 14 entsprechen
einer Halbleitervorrichtung mit Bodygebieten 3, die parallel
zueinander verlaufen ohne irgendeine seitliche Biegung, zum Beispiel
auf einem eindimensionalen Gitter eingerichtet. Wie man beim Vergleichen
der gestrichelten und der durchgehenden Linien erkennt, verringert
jede Abweichung von der geraden Form der Bodygebiete 3,
wie eine Biegung, die Durchbruchsspannung. Die Verringerung der
Durchbruchsspannung hängt weitgehend von der Biegung und
der Dotierung ab. Sie kann im Fall von Leistungshalbleitervorrichtungen
mehrere 100 V betragen.
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Um
die Gesamtleistung der Vorrichtung zu verbessern, können
die kritischen Bereiche der Bodygebiete 3 in der Nähe
der Ecken oder da, wo die Form des Bodygebiets 3 seitlich
gebogen ist, im Sperrzustand durch eine strukturierte Stromausbreitungsschicht 22 entschärft
werden. Mit anderen Worten wird die Stromausbreitungsschicht 22 nicht
in Bereichen ausgebildet, in welchen die Bodygebiete eine gebogene
Außengrenze haben. Zu diesem Zweck können erste
Abschnitte 4 mit einer niedrigeren Dotierungskonzentration
auf dem Driftabschnitt 1 und nahe den kritischen Bereichen
mit hoher Feldstärke eingerichtet werden.
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Zu
bemerken ist, dass eine hohe Dotierungskonzentration des Driftbereichs 21 in
der Nähe der Bodygebiete typischerweise die Feldlast im
Sperrzustand erhöht. Das Einrichten einer homogenen Stromausbreitungsschicht,
die eine höhere Dotierungskonzentration hat als der Driftabschnitt 1,
zwischen dem Driftabschnitt 1 und den Bodygebieten 3, führt
typischerweise zu einem Sinken der Durchbruchsspannung. Durch Gebrauch
eines strukturierten Ausbreitungsbereichs oder einer strukturierten Ausbreitungsschicht 22 wird
die erhöhte Feldlast zumindest teilweise in kritischen
Bereichen mit hoher elektrischer Feldstärke durch die ersten
Abschnitte 4 ausgeglichen. Gleichzeitig kann der Widerstand
im Durchlasszustand deutlich verringert werden. Typischerweise wird
der Widerstand in Durchlasszustand bis zu einigen Zehn Prozent verringert.
Je nach der Aufgabe der Vorrichtung kann der Ausgleich zwischen
Durchbruchsspannung und Widerstand im Durchlasszustand zum Beispiel
durch die Dotierungskonzentration des Stromausbreitungsabschnitts 2,
die vertikale Stärke des strukturierten Stromausbreitungsbereichs
oder der strukturierten Stromausbreitungsschicht 22 sowie
die Position und seitliche Form, das heißt den Umriss in
einer Draufsicht der ersten Abschnitte 4 angepasst werden.
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Das
Konzept einer strukturierten oder Verbund-Stromausbreitungsschicht 2 kann
auch auf andere Halbleitervorrichtungen, wie zum Beispiel IGBTs (Insulated
Gate Bipolartransistor) oder MOSFETs, insbesondere die vertikalen
Leistungs-MOSFETs angewandt werden. In dem letzteren Fall kann die
strukturierte Stromausbreitungsschicht 2 zum Beispiel verwendet
werden, um den Widerstand in Durchlassvorspannung zu verringern
und kritische Bereiche in der Nähe von PN-Übergängen
in Sperr-Vorspannung, die während des Betriebs der Vorrichtung
auftreten können, zu schützen.
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Ein
Beispiel eines MOSFET ist in 5B veranschaulicht.
Anders als der JFET, der in 5A veranschaulicht
ist, ist auf dem Bodygebiet 3 kein Kanalbereich 10 ausgebildet.
Vielmehr ist nahe an den Bodygebieten 3 eine Gate-Elektrode 100 angeordnet,
um einen Umkehrkanal zwischen den Sourcegebieten 5 und
dem Abstandsabschnitt 9 zu verursachen. Der Stromausbreitungsbereich 22 kann
wie oben beschrieben aufgebaut werden.
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In
dem Fall eines IGBT ist ein Emittergebiet 8 vom ersten
Leitfähigkeitstyp (typischerweise p+)
an Stelle des Drainbereichs 8 an der zweiten Oberfläche 31 ausgebildet.
Die Rückseitenelektrode 81 berührt dann
das Emittergebiet 8.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen
einer Halbleitervorrichtung bereitgestellt. Es umfasst den Prozess
des Bereitstellens eines Halbleiterkörpers 20 vom
ersten Leitfähigkeitstyp, der die erste Dotierungskonzentration hat.
Ferner wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Stromausbreitungsabschnitts 2 vom
zweiten Leitfähigkeitstyp und der zweiten Dotierungskonzentration, die
höher ist als die erste Dotierungskonzentration, beschrieben.
Der Prozess wird derart ausgeführt, dass der Stromausbreitungsabschnitt
in der ersten Ebene 40 auf einem Driftabschnitt 1 des
Driftbereichs 21 angeordnet ist, wobei der Driftbereich 21 ferner erste
Abschnitte 4 vom ersten Leitfähigkeitstyp aufweist,
die eine niedrigere Dotierungskonzentration als der Stromausbreitungsabschnitt 2 haben
und die teilweise von dem Stromausbreitungsabschnitt 2 umgeben
sind.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Verfahren
zum Erzeugen einer Halbleitervorrichtung einen Prozess zum Ausbilden
von Sourcegebieten 5 vom ersten Leitfähigkeitstyp
auf jedem der Bodygebiete 3 auf.
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Das
Ausbilden der unterschiedlichen Halbleiterbereiche und -abschnitte
kann das Aufbringen eines Halbleitermaterials umfassen, wie zum
Beispiel das Herstellen epitaktischer Schichten auf dem Halbleiterkörper 20 oder
dem Substrat. Ionenimplantation kann zum Ausbilden der verschiedenen
Halbleiterbereiche und – abschnitte verwendet werden.
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Typischerweise
wird der strukturierte Stromausbreitungsbereich 22 nach
dem Ausbilden der Body- und Sourcegebiete ausgebildet.
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Bei
einer oder mehreren Ausführungsformen werden die Bodygebiete 3 und
die Sourcegebiete 5 in einer selbstjustierten Art durch
isotropes nasschemisches Ätzen einer ersten Implantationsmaske
ausgebildet. Typischerweise wird eine Oxidmaske verwendet. Es werden Öffnungen
in der ersten Implantationsmaske ausgebildet, um die Lage der Sourcegebiete
zu definieren. Nach dem Implantieren eines geeigneten Dotierstoffs
in dem Halbleiterkörper zum Bilden der Sourcegebiete 5,
wird die Implantationsmaske isotrop geätzt, um die Maskenöffnungen
zu vergrößern. Die geätzte erste Implantationsmaske
kann dann zum Implantieren der Bodygebiete 3 verwendet werden.
Dabei werden die Bodygebiete 3 und Sourcegebiete 5 zueinander
selbstjustiert ausgebildet. In dem Fall einer Maske mit quadratischen Öffnungen für
die Implantation der Sourcegebiete 5 wird eine Maske, die
gerundete Quadrate aufweist, durch den Ätzprozess erzeugt.
Das kann zu einer Halbleitervorrichtung wie in 1 veranschaulicht
führen.
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Die
erste Maske kann ferner verwendet werden, um Ausrichtungsmarkierungen
in dem ersten Halbleiter zum Ausrichten darauf folgender lithografischer
Masken auszubilden.
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Der
strukturierte Stromausbreitungsbereich 22 kann durch einen
Ionenimplantationsprozess ausgebildet werden, der eine zweite Implantationsmaske verwendet,
die die Bereiche der ersten Abschnitte 4 deckt. Typischerweise
wird als zweite Implantationsmaske eine Resistmaske verwendet. Derart
werden der Driftabschnitt 1 und die ersten Abschnitte 4 so ausgebildet,
dass sie im Wesentlichen die gleiche Dotierungskonzentration haben.
Die Implantation wird so ausgeführt, dass sich der Implantationsbereich
in vertikaler Richtung von unterhalb der Bodygebiete (inklusive
Stromausbreitungsbereich) bis zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers
hinauf erstreckt. Dadurch werden auch die Abstandsabschnitte 9 zwischen
parallel verlaufenden Bodygebieten dotiert. Obwohl der Dotierstoff
auch in die Bodygebiete implantiert werden kann, wirkt sich das
nicht signifikant auf die Dotierungskonzentration der Bodygebiete
aus, da diese eine höhere Dotierungskonzentration als die
Dotierungskonzentration des Stromausbreitungsbereichs haben.
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Die
oben gegebene schriftliche Beschreibung verwendet spezifische Ausführungsformen
der Erfindung, darunter die beste Ausführungsform, um jeden
Fachmann zu befähigen, die Erfindung umzusetzen und zu
verwenden. Obwohl die Erfindung anhand verschiedener spezifischer
Ausführungsformen beschrieben wurde, weiß der
Fachmann, dass die Erfindung mit einer Änderung innerhalb
des Sinns und Schutzbereichs der Ansprüche umgesetzt werden kann.
Insbesondere können gegenseitig nicht ausschließende
Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander
kombiniert werden. Der patentfähige Geltungsbereich wird
von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele
enthalten, die für den Fachmann klar sind. Derartige Beispiele fallen
in den Schutzbereich der Ansprüche, wenn sie Aufbauelemente
haben, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden,
oder wenn sie gleichwertige Aufbauelemente mit unwesentlichen Unterschieden
im Vergleich zu dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
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Obwohl
spezifische Ausführungsformen hier veranschaulicht und
beschrieben wurden, weiß der fachkundige Leser, dass eine
Auswahl alternativer und/oder gleichwertiger Umsetzungen für
die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen
eingesetzt werden kann, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden
Erfindung zu verlassen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen und
Variationen der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen
decken. Diese Erfindung soll daher nur durch die Ansprüche
und deren Äquivalente eingeschränkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10350160
A1 [0002]
- - US 3959808 [0002]