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DE102015107319A1 - Halbleitervorrichtung und Bipolartransistor mit isoliertem Gate mit in Halbleitermesas gebildeten Sourcezonen - Google Patents

Halbleitervorrichtung und Bipolartransistor mit isoliertem Gate mit in Halbleitermesas gebildeten Sourcezonen Download PDF

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DE102015107319A1
DE102015107319A1 DE102015107319.6A DE102015107319A DE102015107319A1 DE 102015107319 A1 DE102015107319 A1 DE 102015107319A1 DE 102015107319 A DE102015107319 A DE 102015107319A DE 102015107319 A1 DE102015107319 A1 DE 102015107319A1
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DE
Germany
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semiconductor
mesa
semiconductor device
separation
structures
Prior art date
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Application number
DE102015107319.6A
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English (en)
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Inventor
Roman Baburske
Matteo Dainese
Peter Lechner
Hans-Joachim Schulze
Johannes Georg Laven
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung umfasst eine Halbleitermesa (160), die wenigstens eine Bodyzone (115) aufweist, die erste pn-Übergänge (pn1) mit Sourcezonen (110) und einen zweiten pn-Übergang (pn2) mit einer Driftzone (120) bildet. Elektrodenstrukturen (150, 180) sind auf entgegengesetzten Seiten der Halbleitermesa (160) vorgesehen. Wenigstens eine der Elektrodenstrukturen (150, 180) umfasst eine Gateelektrode (155), die gestaltet ist, um einen Ladungsträgerfluss durch die wenigstens eine Bodyzone (115) zu steuern. In einem Trennbereich (400) zwischen den Sourcezonen (110), die längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesa (160) angeordnet sind, umfasst die Halbleitermesa (160) wenigstens eine partielle oder vollständige Einengung.

Description

  • HINTERGRUND
  • In Halbleiterschaltvorrichtungen, wie IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) sowie RC-IGBTs (rückwärts leitende IGBTs) fluten bewegliche Ladungsträger eine niedrig dotierte Driftzone und bilden ein Ladungsträgerplasma, das einen niedrigen Einschaltwiderstand ergibt. Zum Erzielen einer hohen Kurzschlussrobustheit sind Sourcezonen lediglich in Teilen des Zellgebietes gebildet, um einen maximalen Kurzschlussstrom zu begrenzen. Andererseits kann ein Reduzieren des Sourcezonengebietes nachteilhaft das Ladungsträgerplasma in der Driftzone beeinträchtigen. Es ist wünschenswert, Halbleitervorrichtungen mit verbesserten Schalteigenschaften vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate und ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung anzugeben, welche jeweils den obigen Forderungen genügen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate mit den Merkmalen des Patentanspruches 16 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung eine Halbleitermesa, die wenigstens eine Bodyzone aufweist, welche erste pn-Übergänge mit Sourcezonen und einen zweiten pn-Übergang mit einer Driftzone bildet. Elektrodenstrukturen sind auf entgegengesetzten Seiten der Halbleitermesa vorgesehen. Wenigstens eine der Elektrodenstrukturen umfasst eine Gateelektrode, die gestaltet ist, um einen Ladungsträgerfluss durch die wenigstens eine Bodyzone zu steuern. In einem Trennbereich zwischen den Sourcezonen, die längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesa angeordnet sind, umfasst die Halbleitermesa wenigstens eine teilweise bzw. partielle oder eine vollständige Einengung bzw. Verengung.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate eine Halbleitermesa, die wenigstens eine Bodyzone aufweist, die erste pn-Übergänge mit Sourcezonen und einen zweiten pn-Übergang mit einer Driftzone bildet. Elektrodenstrukturen sind auf entgegengesetzten Seiten der Halbleitermesa vorgesehen. Wenigstens eine der Elektrodenstrukturen umfasst eine Gateelektrode, die gestaltet ist, um einen Ladungsträgerfluss durch die wenigstens eine Bodyzone zu steuern. In einem Trennbereich bzw. Trennungsbereich zwischen Sourcezonen, die längs einer Ausdehnungsrichtung der Halbleitermesa angeordnet sind, umfasst die Halbleitermesa wenigstens eine partielle oder vollständige Einengung.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung ein Bilden von Elektrodentrenches in einem Halbleitersubstrat zwischen Halbleitermesas, die die Elektrodentrenches trennen. Die Halbleitermesas umfassen Teile einer Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine Bodyschicht eines zweiten, komplementären Leitfähigkeitstyps jeweils zwischen einer ersten Oberfläche des Halbleitersubstrates und der Driftschicht. Isolierte Sourcezonen des ersten Leitfähigkeitstyps sind in den Halbleitermesas gebildet, wobei sich die Sourcezonen von der ersten Oberfläche in die Bodyschicht erstrecken. Trennstrukturen sind in den Halbleitermesas zwischen benachbarten Sourcezonen gebildet, die längs einer Ausdehnungsrichtung der Halbleitermesas angeordnet sind. Die Trennstrukturen bilden jeweils partielle oder vollständige Einengungen der Halbleitermesa.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung mit einem Trennbereich zwischen benachbarten Sourcezonen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 1B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 1A längs einer Linie B-B.
  • 1C ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 1A längs einer Linie C-C.
  • 1D ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 1A längs einer Linie D-D.
  • 2A ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine längliche Trennstruktur umfasst.
  • 2B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 2A längs einer Linie B-B.
  • 2C ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das eine längliche Trennstruktur in Kombination mit dicken Felddielektrika umfasst.
  • 2D ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 2C längs einer Linie B-B.
  • 3 ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles eines IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel, das Trennbereiche umfasst, die aus Halbleitermesas mit geraden und abgeschrägten Teilen resultieren.
  • 4A ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung mit dielektrischen Trennstrukturen zwischen benachbarten Sourcezonen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das auf IGBTs bezogen ist.
  • 4B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 4A längs einer Linie B-B.
  • 4C ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 4A längs einer Linie C-C und veranschaulicht schematisch eine Stromdichteverteilung in dem Halbleiterkörper der Halbleitervorrichtung von 4A.
  • 4D ist eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleitervorrichtungsteiles einer Bezugsvorrichtung und veranschaulicht schematisch eine Stromdichteverteilung in dem Halbleiterkörper der Bezugsvorrichtung.
  • 4E ist ein Diagramm zum schematischen Veranschaulichen der Lochkonzentration in der Halbleitervorrichtung der 4A bis 4C.
  • 4F ist ein Diagramm zum schematischen Veranschaulichen des Effektes der Trennstrukturen auf die IGBT-Einschalt-Kennlinie der Halbleitervorrichtung der 4A bis 4C.
  • 5A ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf vollständig eingeengte Halbleitermesas bezogen ist.
  • 5B ist eine schematische laterale Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf partiell eingeengte Halbleitermesas bezogen ist.
  • 6 ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das verschiedene Typen von Trennbereichen vorsieht.
  • 7 ist ein schematisches Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 8A ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eingeengte Teile an einem Kontaktgebiet von spitz zulaufenden Teilen vorsieht.
  • 8B ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eingeengte Teile einer gleichmäßigen Länge zwischen spitz zulaufenden Teilen vorsieht.
  • 8C ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eingeengte Teile in einem Überlappungsbereich von asymmetrisch spitz zulaufenden Teilen vorsieht.
  • 8D ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eingeengte Teile zwischen einseitig spitz zulaufenden Teilen vorsieht.
  • 8E ist eine schematische Draufsicht eines anderen Layouts bzw. einer anderen Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eingeengte Teile zwischen einseitig spitz zulaufenden Teilen vorsieht.
  • 8F ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das weit beabstandete Mesazweige als eingeengte Teile vorsieht.
  • 8G ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem Ausführungsbeispiel, das schmal beabstandete Mesazweige als eingeengte Teile vorsieht.
  • 8H ist eine schematische Draufsicht eines Layouts bzw. einer Gestaltung für Vorläuferhalbleitermesas gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das Mesazweige als eingeengte Teile vorsieht.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgebildet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel dargestellt oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff "elektrisch verbunden" beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff "elektrisch gekoppelt" umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die Zeichnungen veranschaulichen relative Dotierungskonzentra tionen durch Angabe von "–" oder "+" nächst zu dem Dotierungstyp "n" oder "p". Beispielsweise bedeutet "n–" eine Dotierungskonzentration, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration eines "n"-Dotierungsbereiches, während ein "n+"-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein "n"-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene "n"-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • Die 1A bis 1D veranschaulichen einen Teil einer Halbleitervorrichtung 500, die eine Trennstruktur 400 zwischen benachbarten isolierten Sourcezonen 110 umfasst, welche der gleichen Halbleitermesa 160 zugeordnet sind.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 kann eine Halbleiterdiode, ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), beispielsweise ein rückwärts sperrender IGBT oder ein RC-IGBT (rückwärts leitender IGBT) oder ein Thyristor sein. Der Halbleiterkörper 100 der Halbleitervorrichtung 500 ist aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), einem Silizium-Germanium-Kristall (SiGe), Galliumnitrid (GaN) oder Galliumarsenid (GaAs) als Beispiel vorgesehen.
  • Der Halbleiterkörper 100 hat eine erste Oberfläche 101, die angenähert bzw. ungefähr planar ist oder die durch eine Ebene definiert sein kann, die durch koplanare Oberflächenabschnitte aufgespannt ist, sowie eine hauptsächlich planare zweite Oberfläche 102 parallel zu der ersten Oberfläche 101. Ein Mindestabstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 hängt von der für die Halbleitervorrichtung 500 spezifizierten Spannungssperrfähigkeit ab. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 in einem Bereich von 90 µm bis 120 µm für eine Halbleitervorrichtung sein, die für eine Sperrspannung von etwa 1200 V ausgelegt bzw. spezifiziert ist. Andere Ausführungsbeispiele, die auf Halbleitervorrichtungen mit hohen Sperrfähigkeiten bezogen sind, können Halbleiterkörper 100 mit einer Dicke von einigen 100 µm vorsehen. Für Halbleitervorrichtungen mit niedrigerer Sperrspannung kann die Dicke in einen Bereich von 35 µm bis 90 µm sein.
  • In einer Ebene parallel zu der ersten Oberfläche 101 kann der Halbleiterkörper 100 eine rechteckförmige Gestalt mit einer Randlänge in dem Bereich von einigen Millimetern haben. Eine Normale zu der ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zu der vertikalen Richtung sind laterale Richtungen.
  • Der Halbleiterkörper 100 umfasst eine Driftzone 120 eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine Bodyzone 115 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp ist, zwischen der ersten Oberfläche 101 und der Driftzone 120 sowie eine Sockelschicht 130 zwischen der Driftzone 120 und der zweiten Oberfläche 102.
  • Für die dargestellten Ausführungsbeispiele ist der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ, und der zweite Leitfähigkeitstyp ist der p-Typ. Ähnliche Überlegungen, wie diese unten angegeben sind, gelten für Ausführungsbeispiele, bei denen der erste Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist, während der zweite Leitfähigkeitstyp der n-Typ ist.
  • Eine Fremdstoffkonzentration in der Driftzone 120 kann graduell oder in Stufen mit zunehmendem Abstand zu der ersten Oberfläche 101 wenigstens in Teilen von deren vertikaler Ausdehnung zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Fremdstoffkonzentration in der Driftzone 120 ungefähr gleichmäßig sein. Für auf Silizium beruhende IGBTs kann eine mittlere Fremdstoffkonzentration in der Driftzone 120 zwischen 5 × 1012 (5E12) cm–3 und 1 × 1015 (1E15) cm–3, bei spielsweise in einem Bereich von 1 × 1013 (1E13) cm–3 bis 1 × 1014 (1E14) cm–3 sein. Im Fall einer auf SiC beruhenden Halbleitervorrichtung kann eine mittlere Fremdstoffkonzentration in der Driftzone 120 zwischen 5 × 1014 (5E14) cm–3 und 1 × 1017 (1E17) cm–3, beispielsweise in einem Bereich von 1 × 1015 (1E15) cm–3 bis 1 × 1016 (1E16) cm–3, sein.
  • Die Sockelschicht 130 kann den zweiten Leitfähigkeitstyp haben, wobei eine mittlere Fremdstoffkonzentration für eine p-Typ-Sockelschicht 130 wenigstens 1 × 1016 (1E16) cm–3, beispielsweise wenigstens 5 × 1017 (5E17) cm–3 sein kann. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Sockelschicht Zonen von beiden Leitfähigkeitstypen umfassen, die sich zwischen der Driftzone 120 und der zweiten Oberfläche 102 erstrecken.
  • Eine Feldstoppschicht 128 des ersten Leitfähigkeitstyps kann die Sockelschicht 130 von der Driftzone 120 trennen, wobei eine mittlere Nettofremdstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 um wenigstens eine Größenordnung niedriger sein kann als die Fremdstoffkonzentration in der Sockelschicht 130 und um wenigstens eine Größenordnung höher sein kann als in der Driftzone 120.
  • Elektrodenstrukturen 150, 180 erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 in die Driftzone 120. Teile des Halbleiterkörpers 100 zwischen benachbarten Elektrodenstrukturen 150, 180 bilden Halbleitermesas 160. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Elektrodenstrukturen 150, 180 zwischen der ersten Oberfläche 101 und einer Bodenebene, die einen größeren Abstand zu der ersten Oberfläche 101 hat als die zweiten pn-Übergänge pn2.
  • Die Elektrodenstrukturen 150, 180 können Streifen sein, die sich längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesas 160 erstrecken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausdehnungsrichtung parallel zu einer ersten lateralen Richtung sein, so dass die Halbleitermesas 160 und die Elektrodenstrukturen 150, 180 gerade Streifenstrukturen sind. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ändert sich die Ausdehnungsrichtung bezüglich der ersten lateralen Richtung derart, dass die Halbleitermesas 160 und die Elektrodenstrukturen 150, 180 gestaffelte bzw. versetzte Linien oder Zickzack-Linien sind. Die Halbleitermesas 160 können regelmäßig bei einer gleichmäßigen Teilung (Mitte-zu-Mitte-Abstand) von beispielsweise 400 nm bis 20 µm, beispielsweise 800 nm bis 2 µm, angeordnet sein.
  • Aktive Elektrodenstrukturen 150 können eine Gateelektrode 155 und ein die Gateelektrode 155 von dem Halbleiterkörper 100 trennendes Gatedielektrikum 151 umfassen. Die Gateelektrode 155 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur haben, die eine oder mehrere leitende Schichten umfasst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Gateelektrode 155 stark dotiertes polykristallines Silizium umfassen oder aus einem solchen bestehen.
  • Das Gatedielektrikum 151 kann ein Halbleiteroxid, beispielsweise ein thermisch aufgewachsenes oder abgeschiedenes bzw. aufgetragenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, beispielsweise ein aufgetragenes bzw. abgeschiedenes oder thermisch aufgewachsenes Siliziumnitrid, oder ein Halbleiteroxynitrid, beispielsweise ein Siliziumoxynitrid, umfassen oder jeweils aus einem solchen bestehen.
  • Passive Elektrodenstrukturen 180 können eine Feldelektrode 185 und ein die Feldelektrode 185 von dem Halbleiterkörper 100 trennendes Felddielektrikum 181 umfassen. Die Feldelektrode 185 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur haben, die eine oder mehrere leitende Schichten umfasst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Feldelektrode 185 eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht umfassen oder aus einer solchen bestehen. Die Feldelektrode 185 und die Gateelektrode 155 können die gleiche Konfiguration haben und können die gleichen Materialien umfassen.
  • Das Felddielektrikum 181 kann ein Halbleiteroxid, beispielsweise ein thermisch gewachsenes oder aufgetragenes bzw. abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, beispielsweise ein aufgetragenes bzw. abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, oder ein Halbleiteroxynitrid, beispielsweise ein Siliziumoxynitrid umfassen oder aus einem solchen bestehen. Die Feld- und Gatedielektrika 151, 181 können die gleiche Konfiguration haben und/oder können die gleichen Materialien umfassen.
  • Aktive und passive Elektrodenstrukturen 150, 180 können in einer regelmäßigen Weise abwechseln. Beispielsweise kann eine einzige passive Elektrodenstruktur 180 zwischen jedem Paar von aktiven Elektrodenstrukturen 150 angeordnet sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können zwei, drei oder mehr passive Elektrodenstrukturen 180 zwischen jedem Paar von aktiven Elektrodenstrukturen 150 angeordnet sein. Die jeweilige Anordnung von aktiven und passiven Elektrodenstrukturen 150, 180 kann sich über eine laterale Richtung des Halbleiterkörpers 100 verändern. Beispielsweise kann die Anzahl von passiven Elektrodenstrukturen 180 zwischen jedem Paar von aktiven Elektrodenstrukturen 150 kontinuierlich oder stufenweise mit abnehmendem Abstand zu einem Randabschlussgebiet des Halbleiterkörpers 100 zunehmen oder abnehmen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel kann exklusiv aktive Elektrodenstrukturen 150 umfassen.
  • Die Gateelektroden 155 können elektrisch mit einem Gateanschluss G der Halbleitervorrichtung 500 verbunden sein. Die Feldelektroden 185 können elektrisch mit einem Hilfsanschluss der Halbleitervorrichtung 500 verbunden sein oder können elektrisch mit einer der Lastelektroden der Halbleitervorrichtung 500 verbunden sein. Beispielsweise kann die Feldelektrode 185 elektrisch mit der IGBT-Emitterelektrode verbunden oder gekoppelt sein.
  • Ein Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und einem Boden der Elektrodenstrukturen 150, 180 kann von 1 µm bis 30 µm, beispielsweise von 3 µm bis 7 µm, betragen. Eine laterale Breite der Halbleitermesas 160 kann von 0,05 µm bis 10 µm, beispielsweise von 0,1 µm bis 1 µm, reichen.
  • Die Bodyzonen 115 sind in ersten Abschnitten der Halbleitermesas 160, ausgerichtet zu der ersten Oberfläche 101, gebildet und können direkt an die erste Oberfläche 101 in Abschnitten von jeder Halbleitermesa 160 angrenzen. Eine mittlere Nettofremdstoffkonzentration in den Bodyzonen 115 kann in dem Bereich von 1 × 1016 (1E16) cm–3 bis 5 × 1018 (5E18) cm–3, bei spielsweise zwischen 1 × 1017 (1E17) cm und 5 × 1017 (5E17) cm–3 sein. Jede Bodyzone 115 bildet einen zweiten pn-Übergang pn2 mit der Driftzone 120.
  • Erste Halbleitermesas 160, die an wenigstens eine aktive Elektrodenstruktur 150 angrenzen, umfassen weiterhin Sourcezonen 110, die erste pn-Übergänge pn1 mit der Bodyzone 115 bilden. Zweite Halbleitermesas 160 zwischen passiven Elektrodenstrukturen 180 können frei bzw. leer von irgendwelchen Sourcezonen 110 sein.
  • Die Sourcezonen 110 können als Wannen gebildet sein, die sich von der ersten Oberfläche 101 in die Bodyzone 115 erstrecken, und definieren Transistorzellen TC, die unter einem erstenAbstand d1 längs der Longitudinalachse der jeweiligen Halbleitermesa 160 angeordnet sind. Abgeschattete Bereiche 165 ohne Sourcezonen 110 trennen benachbarte Transistorzellen TC, die der gleichen Halbleitermesa 160 zugeordnet sind, wobei in den abgeschatteten Bereichen 165 die Bodyzone 115 der Halbleitermesa 160 direkt an die erste Oberfläche 101 angrenzt. Transistorzellen TC und abgeschattete Bereiche 165 wechseln sich längs der Longitudinalachse der jeweiligen Halbleitermesa 160 ab.
  • Der erste Abstand d1 zwischen benachbarten Sourcezonen 110, die längs der zweiten Lateralrichtung angeordnet sind, kann in einem Bereich von 1 µm bis 200 µm, beispielsweise in einem Bereich von 5 µm bis 100 µm, sein.
  • Eine dielektrische Struktur 220 trennt eine erste Lastelektrode 310 von der ersten Oberfläche 101. Die dielektrische Struktur 220 kann eine oder mehrere dielektrische Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, dotiertem oder undotiertem Siliziumglas, beispielsweise BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas) oder BPSG (Borphosphorsilikatglas) als Beispiel umfassen.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann eine IGBT-Emitterelektrode sein oder kann elektrisch mit einem ersten Lastanschluss L1 gekoppelt oder verbunden sein, der der IGBT-Emitteranschluss der Halbleitervorrichtung 500 sein kann.
  • Kontaktstrukturen 315 erstrecken sich durch die dielektrische Struktur 220 und können sich in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Kontaktstrukturen 315 verbinden elektrisch die erste Lastelektrode 310 mit den Sourcezonen 110 und den Bodyzonen 115. Gemäß Ausführungsbeispielen, die beispielsweise auf rückwärts sperrende IGBTs bezogen sind, kann für jede Halbleitermesa 160 eine Vielzahl von räumlich getrennten Kontaktstrukturen 315 angenähert mit den Sourcezonen 110 ausgerichtet sein, wobei die Kontaktstrukturen 315 mit den Bodyzonen 115 für einige 10 nm überlappen können und/oder durch die Sourcezonen 110 in der Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung und der vertikalen Richtung, also beiden Richtungen, schneiden können.
  • Eine zweite Lastelektrode 320 grenzt direkt an die zweite Oberfläche 102 und die Sockelschicht 130 an. Die zweite Lastelektrode 320 kann ein zweiter Lastanschluss L2, der der IGBT-Kollektoranschluss sein kann, sein oder elektrisch mit diesem verbunden sein.
  • Jede der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 kann als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlSi, AlCu oder AlSiCu, bestehen oder diese enthalten. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann wenigstens eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile Nickel (Ni), Titan (Ti), Wolfram (W), Tantal (Ta), Silber (Ag), Gold (Au), Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd) enthalten. Beispielsweise kann wenigstens eine der ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 zwei oder mehr Unterschichten umfassen, wobei jede Unterschicht einen oder mehrere Stoffe aus Ni, Ti, Ag, Au, Pt, W und Pd als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile enthält, beispielsweise ein Silizid, ein Nitrid und/oder eine Legierung.
  • Ein Trennbereich 400 zwischen benachbarten Sourcezonen 110, die längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesa 160 angeordnet sind, umfasst wenigstens eine partielle bzw. teilweise oder eine vollständige Einengung bzw. Verengung. In dem jeweiligen partiell oder vollständig eingeengten Abschnitt ist ein vertikales Querschnittsgebiet der Halbleitermesa 160 orthogonal bzw. senkrecht zu der Ausdehnungsrichtung Null oder kleiner als außerhalb des eingeengten Abschnittes und außerhalb des Trennbereiches 400. Ein Abstand zwischen zwei Elektrodenstrukturen 150, 180 auf entgegengesetzten Seiten der Halbleitermesa 160 ist kleiner an dem eingeengten Abschnitt der Halbleitermesa 160 als außerhalb des eingeengten Abschnitts. Die partielle oder vollständige Einengung vergrößert den lateralen Widerstand für Majoritätsladungsträger der Bodyzonen 115, beispielsweise Löcher für n-Kanal-IGBTs.
  • In der folgenden Beschreibung wird der Effekt des Trennbereiches 400 unter Bezugnahme auf einen n-Kanal-IGBT mit n-Typ-Source- und Driftzonen 110, 120 und p-Typ-Bodyzonen 115 beschrieben. Die gleichen Überlegungen gelten analog für p-Kanal-IGBTs.
  • In einem Einschaltzustand der Halbleitervorrichtung 500 überschreitet eine an den Gateelektroden 155 liegende Spannung eine Schwellenspannung, bei welcher eine n-Typ-Inversionsschicht durch die Bodyzonen 115 gebildet wird. Wenn zwischen den ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 eine Spannung VCE angelegt wird, die die Einbauspannung der dritten pn-Übergänge pn3 zwischen der Driftzone 120 oder der Feldstoppschicht 128 und der p-Typ-Sockelschicht 130 überschreitet, spannt der sich ergebende Elektronenfluss zwischen den ersten und zweiten Lastelektroden 310, 320 die dritten pn-Übergänge pn3 vorwärts vor, und die Sockelschicht 130 injiziert Löcher in die Driftzone 120. In der Driftzone 120 bilden die injizierten Löcher in Kombination mit dem Elektronenfluss ein hochdichtes Ladungsträgerplasma, das in einer niedrigen Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCE,sat und in geringen Einschaltverlusten resultiert.
  • Der Trennbereich 400 reduziert einen Teil eines Lochstromes außerhalb der Transistorzellen TC, d.h. außerhalb der vertikalen Projektion der Sourcezonen 110 in den Halbleitermesas 160 und in den abgeschatteten Bereichen 165. Als ein Ergebnis ist der Lochstrom in engerer lokaler Übereinstimmung mit dem Elektronenstrom, die Plasmadichte ist weiter gesteigert, und dadurch ist VCE,sat merklich reduziert. Die in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beruhen auf der Halbleitervorrichtung 500 der 1A bis 1D, und die Beschreibung der folgenden Ausführungsbeispiele bezieht sich auf die Beschreibung der 1A bis 1D und schließt diese ein.
  • In der Halbleitervorrichtung 500 der 2A und 2B ersetzt ein Neben- bzw. Hilfsdielektrikum 411 das Gatedielektrikum 151 in dem Trennbereich 400. Das Nebendielektrikum 411 kann dicker sein als das Gatedielektrikum 151, so dass das vertikale Querschnittsgebiet der Halbleitermesa 160 reduziert und der Lochfluss besser begrenzt bzw. beschränkt ist.
  • In der Halbleitervorrichtung 500 der 2C und 2D sind die Felddielektrika 181 dicker als die Gatedielektrika 151. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Dicke der Felddielektrika 181 gleich oder angenähert gleich zu der Dicke des Nebendielektrikums 411 sein. Wie in 2D veranschaulicht ist, erstrecken sich die dicken Felddielektrika 181 sowie das Nebendielektrikum 411 tiefer in den Halbleiterkörper 100 als das Gatedielektrikum 151, so dass die dicken Dielektrika 181, 411 lokal das elektrische Feld dämpfen und die dünnen Gatedielektrika 151 niedrigeren elektrischen Feldstärken unterworfen sind. Als eine Folge ist die Zuverlässigkeit der dünnen Gatedielektrika 151 verbessert.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können die passiven Elektrodenstrukturen 180 von der Füllung von weiteren und tieferen Trenches hervortreten als die aktiven Elektrodenstrukturen 150, so dass die passiven Elektrodenstrukturen 180 typischerweise eine größere vertikale Ausdehnung haben als die aktiven Elektrodenstrukturen 150 und die Gatedielektrika 151 von elektrischen Feldspitzen abschirmen.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 von 3 ist ein IGBT mit den Halbleitermesas 160 und den Elektrodenstrukturen 150, 180 einschließlich gerader Teile 160a, 150a, 180a parallel zu der ersten lateralen Richtung und abgeschrägter Teile 160b, 150b, 180b, die sich längs einer die erste laterale Richtung schneidenden Richtung erstrecken und die geraden Teile 180a, 150a, 180a verbinden. Die abgeschrägten Teile 160b, 150b, 180b bilden die Trennbereiche 400.
  • Seitenwände der geraden Teile 160a, 150a, 180a können [100]-Kristallebenen sein, und Seitenwände der abgeschrägten Teile 160b, 150b, 180b können [110]-Kristallebenen sein. Das niedrigere bzw. kleinere effektive Querschnittsgebiet der abgeschrägten Teile 160b der Halbleitermesas 160 und/oder eine geringere Lochbeweglichkeit in [110]-Kristallebenen resultiert in einer besseren Locheinschränkung bzw. -begrenzung in den Transistorzellen TC. Die höhere Oxidwachstumsrate auf [110]-Kristallebenen verglichen mit derjenigen auf [100]-Kristallebenen kann die Nebendielektrika 411, wie in 2A beschrieben, ohne weitere Musterungs- bzw. Strukturierungsprozesse bilden. Für ausgewählte Ausführungsbeispiele kann dies weiter zu einem Schließen der Halbleitermesas 160 durch Durchoxidation in den Trennbereichen 400 führen.
  • Die 4A bis 4F beziehen sich auf Ausführungsbeispiele einer Halbleitervorrichtung 500 mit Trennbereichen 400, die wenigstens eine dielektrische Trennstruktur 421 umfassen, welche vollständig jeweils die betreffende Halbleitermesa 160 einengt bzw. verengt bzw. einschnürt. Wenn die Halbleitermesa 160 vollständig eingeengt ist, ist das Querschnittsgebiet Null. Die dielektrische Trennstruktur 421 kann exklusiv dielektrische Materialien umfassen oder kann zusätzlich zu dielektrischen Materialien leitende Materialen sowie die leitenden Materialien von dem umgebenden Halbleitermaterial trennende dielektrische Materialien umfassen oder kann einen Leerraum bzw. Hohlraum aufweisen, der mit einem Fluid, beispielsweise eingefangener Luft, gefüllt ist.
  • Die eingeengten bzw. verengten Abschnitte der Halbleitermesas 160 können Ausbuchtungen in den angrenzenden Elektrodenstrukturen 150, 180 entsprechen, und die dielektrischen Trennstrukturen 421 sind durch anstoßende Abschnitte der Gate- und Felddielektrika 151, 181 gebildet. Eine Breite von einer oder beiden Elektrodenstrukturen 150, 180 kann in einem an die Halbleitermesa 160 in dem Trennbereich 400 angrenzenden Abschnitt weiter sein als in einem an die Halbleitermesa 160 angrenzenden Abschnitt außerhalb des Trennbereiches 400.
  • Außerhalb der eingeengten Abschnitte können die aktiven und passiven Elektrodenstrukturen 150, 180 die gleiche Breite und Tiefe haben. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die passiven Elektrodenstrukturen 180 eine größere vertikale Ausdehnung als die aktiven Elektrodenstrukturen 150 haben. Beispielsweise können die passiven Elektrodenstrukturen 180 von Trenches hervortreten, die weiter sind als Trenches für die aktiven Elektrodenstrukturen 150, so dass die Trenches für die passiven Elektrodenstrukturen 180 tiefer in den Halbleiterkörper geätzt sind als die Trenches für die aktiven Elektrodenstrukturen 150. Als ein Ergebnis erscheinen die elektrischen Feldmaxima an den Rändern der passiven Elektrodenstrukturen 180, und die Zuverlässigkeit der Gatedielektrika 151 kann verbessert werden.
  • Die Trennstruktur 421 kann eine homogene Struktur eines einzigen dielektrischen Materials sein oder kann eine Schichtstruktur einschließlich zwei oder mehr Unterschichten aus verschiedenen Materialien aufweisen. Beispielsweise wird die Trennstruktur 421 aus Siliziumoxid gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht die Trennstruktur 421 aus einem dielektrischen Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität als Siliziumoxid, beispielsweise Diamant oder einem dielektrischen Phasenänderungsmaterial, oder die Trennstruktur umfasst dieses bzw. diese Materialien. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Trennstruktur 421 eine dielektrische Unterschicht, die direkt an die Halbleitermesa 160 angrenzt, sowie ein leitendes Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität als Siliziumoxid, beispielsweise Kupfer oder ein leitendes Phasenänderungsmaterial, wobei das leitende Material ohne niederohmige Verbindung zu der Gateelektrode 155 und der Feldelektrode 185 ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Trennstruktur eine dielektrische Unterschicht, die direkt an die Halbleitermesa 160 angrenzt, und einen mit eingefangener Umgebungsluft gefüllten Hohlraum bzw. Leerraum.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst jede Trennstruktur 400 eine einzige Trennstruktur 421, die die symmetrisch bezüglich einer vertikalen Ebene bei dem halben Abstand zwischen benachbarten Sourcezonen 110, die der gleichen Halbleitermesa 160 zugeordnet sind, angeordnet sind. Die Trennstruktur 421 kann sich über wenigstens 3% des Abstands zwischen den zwei betreffenden Sourcezonen 110, beispielsweise über wenigstens 50% oder wenigstens 90%, erstrecken. Ein Abstand zwischen den Sourcezonen 110 und der jeweiligen Trennstruktur 421 kann wenigstens 2 µm oder wenigstens 5 µm sein.
  • Die dargestellte Halbleitervorrichtung 500 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel mit wenigstens zwei Trennstrukturen 421 je Trennbereich 400. Die wenigstens zwei Trennstrukturen 421 können symmetrisch bezüglich einer vertikalen Ebene bei dem Abstand zwischen den betreffenden Sourcezonen 110 sein. Eine Hilfsmesa 425 kann die Trennstrukturen 421 trennen. Eine Wärmeleitfähigkeit der Hilfsmesa 425 kann besser sein als die Wärmeleitfähigkeit der Trennstrukturen 421 und kann eine Robustheit gegenüber einer durch Kurzschluss induzierten thermischen Zerstörung steigern. Zusätzlich kann die Hilfsmesa 425 eine mechanische Spannung niedrig halten, die aus verschiedenen Koeffizienten einer Temperaturausdehnung für die Trennstrukturen 421 und den Halbleiterkörper 100 resultieren kann.
  • Die Trennstrukturen 421 können direkt an die benachbarten Sourcezonen 110 angrenzen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand zwischen der Trennstruktur 421 und der Sourcezone 110 derart eingestellt, dass das Vorhandensein der Trennstruktur 421 nicht die Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung 500 beeinträchtigt. Zusätzlich ist unterhalb eines designspezifischen Mindestabstandes eine relative Steigerung der Trägerdichte in und um die Transistorzelle TC geringer als eine relative Zunahme einer durch die Trennstruktur 421 induzierten Stromdichte, so dass ein Spannungsabfall in der Halbleitermesa 160 nachteilhaft VCE,sat erhöhen kann. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand zwischen der Trennstruktur 421 und der Sourcezone 110 wenigstens die Hälfte der Mesabreite der Halbleitermesa 150, beispielsweise wenigstens die Mesabreite.
  • Die Trennstrukturen 421 können sich von der ersten Oberfläche 101 bis zu wenigstens 90% des Abstandes zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem zweiten pn-Übergang pn2 oder herab zu dem zweiten pn-Übergang pn2 erstrecken. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die vertikale Ausdehnung der Trennstrukturen 421 größer als die vertikale Ausdehnung der Elektrodenstrukturen 150, 180. Ein Maximalwert der elektrischen Feldstärke ist weg von den vergrabenen Rändern der Elektrodenstrukturen 150, 180 und den Gate- und Felddielektrika 151, 181 gezogen. Als ein Ergebnis sind die Gate- und Felddielektrika 151, 181 geringeren maximalen elektrischen Feldspitzen unterworfen. Eine feldinduzierte Herabsetzung oder Verschlechterung der Gate- und Felddielektrika 151, 181 ist reduziert, und eine Langzeitstabilität der Halbleitervorrichtung 500 ist gesteigert.
  • 4C veranschaulicht schematisch die Stromdichteverteilung in der Halbleitervorrichtung 500 bei einem kontinuierlichen Kollektorstrom IC, und 4D zeigt die entsprechende Stromdichteverteilung in einer Bezugs- bzw. Referenzvorrichtung 500x ohne Trennstrukturen 421.
  • In der Bezugsvorrichtung 500x zeigt ein hoher Oberflächenstrom längs der ersten Oberfläche 101 in Richtung der vorderen bzw. Frontoberflächen der Kontaktstrukturen 315 an, dass eine signifikante Anzahl von Löchern in die Bodyzone 115 außerhalb der Transistorzellen TC eintreten. Dagegen leiten die Trennstrukturen 421 den Stromfluss hauptsächlich innerhalb der Transistorzellen TC und der direkt angrenzenden Teile der abgeschatteten Bereiche 165 zwischen den Transistorzellen TC und der jeweiligen Trennstruktur 421. Löcher und Elektronen bewegen sich in einem höheren Grad nahe zueinander, was in einer besseren Trägerbegrenzung bzw. -einschränkung und in einer höheren lokalen Ladungsträgerplasmadichte resultiert.
  • 4E vergleicht die vertikalen Gradienten 511, 511x der Lochkonzentration in der Halbleitervorrichtung 500 der 4A bis 4C und die Lochkonzentration in der Bezugsvorrichtung 500x jeweils durch die Mitte der Sourcezonen 110. Die Trennstrukturen 421 erhöhen signifikant die Lochkonzentration in der Driftzone 120.
  • 4F vergleicht die Einschaltkennlinien 521, 521x der Halbleitervorrichtung 500 der 4A bis 4C und der Bezugsvorrichtung 500x von 4D. Bei einem Strom Inom, der durch den kontinuierlichen Kollektorstrom IC der Halbleitervorrichtung 500 definiert ist, können die Trennstrukturen 421 VCE,sat um etwa 100 mV vermindern, während die zwei Vorrichtungen den gleichen Sättigungsstrom aufweisen (nicht gezeigt).
  • Die Ausführungsbeispiele der 4A bis 4F beziehen sich auf rückwärts sperrende IGBTs mit kontinuierlichen p-Typ-Sockelschichten 130. Andere Ausführungsbeispiele können sich beispielsweise auf RC-IGBTs beziehen. Beispielsweise kann ein RC-IGBT einen ersten Teil, der für den rückwärts leitenden Modus ausgelegt ist und Zonen von beiden Leitfähigkeitstypen in der Sockelschicht 130 umfasst, und einen zweiten Teil, der für den IGBT-Modus ausgelegt ist und Trennbereiche 400, wie oben beschrieben, umfasst, aufweisen. Die Kontaktstrukturen 315 sind zu den Sourcezonen 110 ausgerichtet und fehlen in der vertikalen Projektion der Hilfsmesas 425 bzw. sind dort abwesend.
  • Die Halbleitervorrichtung von 5A umfasst vollständig eingeengte Halbleitermesas 160, wobei die Halbleitermesas 160 durch Trennstrukturen 421 eingeengt bzw. verengt bzw. eingeschnürt sind, die aus einer Oxidation des Materials der Halbleitermesas 160 resultieren, wobei vor einer Oxidation Vorläuferhalbleitermesas mit Einengungen vorgesehen sind, die ausreichend schmal sind, um vollständig durchoxidiert zu werden.
  • Die Halbleitermesas 160 und die zwischen den Trennstrukturen 421 gebildeten Hilfsmesas 425 können mit abnehmendem Abstand zu den Trennstrukturen 421 jeweils spitz bzw. kegelförmig zulaufen. In einem Siliziumhalbleiterkörper 100 können die spitz zulaufenden Teile [110]-Kristallebenen und die geraden Teile [100]-Kristallebenen haben. Teile des Gatedielektrikums 151 auf den spitz zulaufenden Teilen der Halbleiter- und Hilfsmesas 160, 425 können dicker sein als auf den geraden Teilen.
  • Die Halbleitervorrichtung von 5B umfasst teilweise bzw. partiell eingeengte Halbleitermesas 160, wobei Trennstrukturen 421, die partiell die Halbleitermesas 160 einengen, aus einer Oxidation des Materials der Halbleitermesas 160 resultieren, und vor einer Oxidation sind Vorläuferhalbleitermesas mit ausreichend weiten Einengungen vorgesehen derart, dass die Einengungen nicht vollständig durchoxidiert sind. Stattdessen verbindet ein verbleibender halbleitender verbindender Teil 422 die Teile der an die jeweilige Trennstruktur 421 angrenzenden Halbleitermesas 160 auf entgegengesetzten Seiten längs der Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 von 6 umfasst erste Trennbereiche 400a mit Trennstrukturen, die jeweils einen ersten Abstand zu der benachbarten Sourcezone haben, und zweite Trennbereiche 400b mit Trennstrukturen, die einen zweiten Abstand, der größer als der erste Abstand ist, zu der benachbarten Sourcezone haben. In den Teilen der Halbleitervorrichtung 500 einschließlich der ersten Trennbereiche 400a ist die Einschaltplasmadichte höher als in Teilen einschließlich der zweiten Trennbereiche 400b.
  • Die ersten Trennbereiche 400a können in einem zentralen Teil 191a des aktiven Gebietes 191 des Halbleiterkörpers 100 einschließlich der Transistorzellen vorherrschend sein. Die zweiten Trennbereiche 400b können bei einer höheren Dichte in einem Übergangsteil 191b des aktiven Gebietes 191 zwischen dem zentralen Teil 191a und einem Randabschlussgebiet 199 ohne Transistorzellen zwischen dem aktiven Gebiet 191 und einer Außenoberfläche 103, die die ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 verbindet, oder in Teilen des aktiven Gebietes 191, in dessen vertikaler Projektion Gatepads bzw. -kissen und Gateverbindungen angeordnet sind, angeordnet sein. Weniger Ladungsträger fluten das Randgebiet 199 während des Einschalt-IGBT-Modus, und weniger Ladungsträger müssen von dem Randgebiet 199 entfernt werden, wenn die Halbleitervorrichtung 500 ausgeschaltet wird. Die lokal reduzierte Ladungsträgerplasmadichte längs des Randgebietes 199 reduziert Kommutierungsverluste und verbessert eine Abschaltrobustheit der Halbleitervorrichtung 500.
  • 7 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung beispielsweise einer Halbleiterdiode oder eines IGBT, beispielsweise eines RC-IGBT, oder einer Halbleitervorrichtung, die eine IGBT-Funktionalität umfasst.
  • In einem Halbleitersubstrat werden Elektrodentrenches zwischen Halbleitermesas gebildet, die die Elektrodentrenches trennen (902). Die Halbleitermesas umfassen Teile einer Driftschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine Bodyschicht eines zweiten, komplementären Leitfähigkeitstyps zwischen einer ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats und der Driftschicht. In den Halbleitermesas werden isolierte Sourcezonen des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet (904). Die Sourcezonen erstrecken sich von der ersten Oberfläche in die Bodyschicht. Trennstrukturen werden in den Halbleitermesas gebildet (906). Die Trennstrukturen werden zwischen benachbarten Sourcezonen gebildet, die längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesas angeordnet sind.
  • Ein Bilden der Trennstrukturen kann ein Bilden von Trenntrenches in den Halbleitermesas und ein wenigstens teilweises Füllen der Trenntrenches mi einem dielektrischen Material umfassen, um die Trennstrukturen in den Trenntrenches zu bilden. Beispielsweise kann eine dielektrische Schicht, die die Trenntrenches auskleidet, durch einen Abscheidungs- bzw. Auftragungsprozess, durch eine thermische Oxidation des Halbleitermaterials der Halbleitermesas oder durch eine Kombination von beiden gebildet werden. Dann kann ein Füllmaterial, beispielsweise ein weiteres dielektrisches Material, ein intrinsisches Halbleitermaterial und/oder ein leitendes Material aufgetragen bzw. abgeschieden werden, um die ausgekleideten Trenntrenches zu füllen. Das Füllmaterial kann ein Material mit einer hohen Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind die ausgekleideten Elektrodentrenches lediglich verschlossen und bleiben mit eingefangener Umgebungsluft gefüllt.
  • Die Trenntrenches können vor, gleichzeitig mit oder nach den Elektrodentrenches gebildet werden. Die Trenntrenches können eine größere vertikale Ausdehnung als die Bodyschicht haben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Trenntrenches so tief wie oder tiefer als die Elektrodentrenches sein. Die Sourcezonen können vor oder nach Bilden der Trennstrukturen gebildet werden.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein Bilden der Trennstrukturen umfassen, dass während einer Bildung der Elektrodentrenches die Halbleitermesas mit den eingeengten Teilen so gebildet werden, dass die Trennstrukturen von einer Oxidation des Materials der Halbleitermesas in den eingeengten Teilen hervortreten können, welche vollständig durchoxidiert sein können. Auf diese Weise kann eine Bildung der Trennstrukturen kombiniert werden mit der Bildung des Gatedielektrikums und/oder des Felddielektrikums. Kein zusätzlicher Prozess ist erforderlich für die Bildung der Trennstrukturen, so dass die Trennstrukturen durch leichte Modifikationen der fotolithographischen Maske für die Elektrodentrenchstrukturierung bzw. musterung ausgeführt werden kann.
  • Die 8A bis 8H zeigen Layouts bzw. Gestaltungen von Vorläuferhalbleitermesas 160a nach Ätzen der Elektrodentrenches und vor Oxidieren der eingeengten Teile 169, um dielektrische Trennstrukturen zu bilden. Die Oxidation kann vollständig die eingeengten Teile 169 durchoxidieren oder kann stoppen, bevor der eingeengte Teil 169 vollständig durchoxidiert ist, so dass die halbleitenden verbindenden Teile Teile der betreffenden Halbleitermesa auf entgegengesetzten Seiten des eingeengten Teiles 169 in der endgültig hergestellten bzw. finalen Vorrichtung verbinden. Jede Trennstruktur kann aus einem, zwei oder mehr eingeengten Teilen 169 resultieren. Ein Layout bzw. eine Gestaltung einschließlich Einengungen erlaubt die Bildung von Trennstrukturen, wie dies oben beschrieben ist, ohne irgendeinen zusätzlichen Prozessschritt, beispielsweise einen zusätzlichen Lithographieprozess.
  • Die dargestellten Vorläuferhalbleitermesas 160a umfassen Teile 167 mit einer Mesabreite W1 und eingeengte bzw. verengte Teile 169 mit einer Einengungsbreite W3. Die Elektrodentrenches 150a zwischen benachbarten Vorläuferhalbleitermesas 160a haben eine Elektrodenbreite W2. Die Einengungsbreite W3 kann so eingestellt sein, dass die Vorläuferhalbleitermesa 160a vollständig in dem eingeengten Teil 169 durchoxidiert ist, beispielsweise während einer Bildung des Gatedielektrikums. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die eingeengten Teile nicht vollständig durchoxidiert, so dass die sich ergebenden Halbleitermesas in der endgültigen bzw. finalen Vorrichtung lediglich schmaler gemacht sind.
  • In 8A wird jeder eingeengte Teil 169 bei dem Kontaktgebiet von zwei direkt angrenzenden, spiegelinvertierten, spitz zulaufenden Teilen 168 der jeweiligen Vorläuferhalbleitermesa 160a gebildet. Die spitz zulaufenden bzw. kegelförmigen Teile 168 verbinden den eingeengten Teil 169 mit Teilen 167 einer Mesabreite W1.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Vorläuferhalbleitermesas 160a einkristallines Silizium, Seitenwände der Teile 167 einer einheitlichen Breite sind [100]-Kristallebenen und Seitenwände der spitz zulaufenden Teile 168 sind [110]-Kristallebenen. Da eine Oxidationsrate in den [110]-Kristallebenen signifikant höher ist als in [100]-Kristallebenen, kann die Einengungsbreite W3 signifikant weiter eingestellt werden als die Dicke des Gatedielektrikums. Die Vorläuferhalbleitermesas 160a sind mechanisch stabil während einer Prozessphase nach Ätzen der Elektrodentrenches 150a und vor Bilden von Elektrodenstrukturen in den Elektrodentrenches 150a.
  • In 8B ist jeder eingeengte Teil 169 durch einen schmalen Teil einer einheitlichen Einengungsbreite W3 und einer Länge L zwischen zwei angrenzenden, spiegelinvertierten, spitz zulaufenden Teilen 168 gebildet. Die Einengungsbreite W3 kann gut ohne optische Proximity- bzw. Näherungskorrekturmerkmale gesteuert werden.
  • Das Spitzzulaufen in den spitz zulaufenden Teilen der 8A und 8B ist zweiseitig und kann symmetrisch sein bezüglich einer longitudinalen Mittenachse der jeweiligen Vorläuferhalbleitermesa 160a.
  • 8C bezieht sich auf Vorläuferhalbleitermesas 160a mit einem zweiseitigen Spitzzulaufen in den spitz zulaufenden Teilen 168, wobei ein Spitzzulaufen auf einer Seite und ein Spitzzulaufen auf einer zweiten, entgegengesetzten Seite zueinander längs einer longitudinalen Mittenachse der Vorläuferhalbleitermesa 160a verschoben sind. Ein überlappender Bereich der zwei spitz zulaufenden Teile 168 bildet den eingeengten Teil 169. Das Layout bzw. die Gestaltung von 8C vermittelt zwischen einem Mesa-Schmalermachen und der Füllqualität der die Elektrodentrenches 150a füllenden Materialien.
  • Die Vorläuferhalbleitermesas 160a in 8D umfassen spitz zulaufende Teile 168 mit einseitigem Spitzzulaufen. Schmale Teile einer Einengungsbreite W3 und einer Länge L zwischen zwei angrenzenden, spiegelinvertierten, einseitig spitz zulaufenden Teilen 168 können die eingeengten Teile 169 bilden. Durch Vorsehen von Paaren von benachbarten Vorläuferhalbleitermesas 160a mit einseitig spitz zulaufenden Teilen 168, die spiegelinvertiert bezüglich einer longitudinalen Mittenachse des Zwischenelektrodentrenches 150a sind, können Breite und Tiefe, also beide Größen des Elektrodentrenches 150a lokal gesteigert werden. Die Vorläuferhalbleitermesa 160a kann bis zu einer Tiefe oxidiert werden, die größer ist als die vertikale Ausdehnung der Vorläuferhalbleitermesas 160a außerhalb der eingeengten Teile 169.
  • In 8E sind zwei Vorläuferhalbleitermesas 160a spiegelinvertiert bezüglich einer longitudinalen Achse durch einen Zwischenelektrodentrench 150a angeordnet, wobei die eingeengten Teile 169 entgegengesetzt zueinander angeordnet sind und der Zwischenelektrodentrench 150a gerade Seitenwände hat.
  • In den 8F bis 8H bilden zwei parallele Mesazweige 161 jeweils die eingeengten Teile 169, wobei jeder Mesazweig 161 eine Zweigbreite W5 haben kann, die schmaler ist als die Mesabreite W1. Jeder der parallelen Mesazweige 161 verbindet zwei Teile 167 einer Mesabreite W1. Die Vorläuferhalbleitermesas 160a sind vergleichsweise stabil während einer Prozessphase nach Ätzen der Elektrodentrenches 150a und vor Füllen der Elektrodentrenches 150a.
  • In 8F können aufgrund der kleineren Breite W4 der Teile der an die Mesazweige 161 angrenzenden Elektrodentrenches die Vorläuferhalbleitermesas 160a lediglich bis zu einer Tiefe oxidiert werden, die geringer ist als die vertikale Ausdehnung der Halbleitermesas außerhalb der eingeengten Teile 169.
  • 8G bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel von 8F dadurch unterscheidet, dass die Breite W4 der Teile der an die Mesazweige 161 angrenzenden Elektrodentrenches 150a weiter ist als die Elektrodenbreite W2. Aufgrund der größeren Breite W4 der Teile der Elektrodentrenches 150a angrenzend an die Mesazweige 161 können die Vorläuferhalbleitermesas 160a bis zu einer Tiefe oxidiert werden, die tiefer ist als die vertikale Ausdehnung der Halbleitermesas 160 außerhalb der eingeengten Teile 169.
  • In 8H werden die Mesazweige 161 derart gebildet, dass die Elektrodenbreite W2 angenähert bzw. ungefähr unverändert verbleibt und gerade Oxidstrukturen längs der Elektrodentrenches 150a gebildet werden.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (24)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: eine Halbleitermesa (160), die wenigstens eine Bodyzone (115) umfasst, die erste pn-Übergänge (pn1) mit Sourcezonen (110) und einen zweiten pn-Übergang (pn2) mit einer Driftzone (120) bildet, Elektrodenstrukturen (150, 180) auf entgegengesetzten Seiten der Halbleitermesa (160), wobei wenigstens eine der Elektrodenstrukturen (150, 180) eine Gateelektrode (155) umfasst, die gestaltet ist, um einen Ladungsträgerfluss durch die wenigstens eine Bodyzone (115) zu steuern, und einen Trennbereich (400) zwischen den Sourcezonen (110), die längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesa (160) angeordnet sind, wobei in dem Trennbereich (400) die Halbleitermesa (160) wenigstens eine partielle oder vollständige Einengung umfasst.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Halbleitermesa (160) ein Teil eines Halbleiterkörpers (100) ist, die Sourcezonen (110) direkt an eine erste Oberfläche (101) des Halbleiterkörpers (100) angrenzen und die Driftzone (120) in dem Halbleiterkörper (100) zwischen der wenigstens einen Bodyzone (115) und einer zweiten Oberfläche (102) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101) gebildet ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Elektrodenstrukturen (150, 180) sich zwischen der ersten Oberfläche (101) und einer Bodenebene bei einem größeren Abstand zu der ersten Oberfläche (101) als zu den zweiten pn-Übergängen (pn2) erstrecken.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, weiterhin umfassend: eine Sockelschicht (130) zwischen der Driftzone (120) und der zweiten Oberfläche (102), wobei ein Leitfähigkeitstyp der Sockelschicht (130) entgegengesetzt zu dem Leitfähigkeitstyp der Driftzone (120) ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: Kontaktstrukturen (315) eines leitenden Materials, wobei die Kontaktstrukturen (315) direkt an die Halbleitermesas (160) außerhalb des Trennbereiches (400) angrenzen und in dem Trennbereich (400) fehlen bzw. nicht vorhanden sind.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein halbleitender verbindender Teil Teile der Halbleitermesa (160) auf entgegengesetzten Seiten des Trennbereiches (400) verbindet.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Breite von wenigstens einer der Elektrodenstrukturen (150, 180) weiter ist in einem an die Halbleitermesa (160) angrenzenden Abschnitt in dem Trennbereich (400) als in einem an die Halbleitermesa (160) angrenzenden Abschnitt außerhalb des Trennbereiches (400).
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein die Halbleitermesa (160) und wenigstens eine der Elektrodenstrukturen (150, 180) in dem Trennbereich (400) trennendes Nebendielektrikum (411) dicker ist als ein Gatedielektrikum (151) zwischen der Gateelektrode (155) und der Halbleitermesa (160) außerhalb des Trennbereiches (400).
  9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Halbleitermesa (160) gerade Abschnitte, die sich längs einer ersten lateralen Richtung erstrecken, und abgeschrägte Abschnitte, die sich in einer die erste laterale Richtung schneidenden Richtung erstrecken und die geraden Abschnitte verbinden, umfasst.
  10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, bei der das vertikale Querschnittsgebiet der Halbleitermesa (160) in den abgeschrägten Abschnitten kleiner ist als in den geraden Abschnitten.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Sourcezonen (110) in den geraden Abschnitten gebildet sind.
  12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die partielle oder vollständige Einengung der Halbleitermesa (160) in dem Trennbereich (400) sich von der ersten Oberfläche (101) bis zu wenigstens 90% eines Abstandes zwischen der ersten Oberfläche (101) und dem zweiten pn-Übergang (pn2) erstreckt.
  13. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Trennbereich (400) wenigstens zwei partielle oder vollständige Einengungen und wenigstens eine Hilfsmesa (425) zwischen den wenigstens zwei partiellen oder vollständigen Einengungen umfasst.
  14. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der Trennbereich (400) symmetrisch bezüglich einer vertikalen Ebene senkrecht zu der ersten Oberfläche (101) bei halbem Abstand zwischen zwei der längs der zweiten lateralen Richtung angeordneten Sourcezonen (110) ist.
  15. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der in der partiellen Einengung ein vertikales Querschnittsgebiet der Halbleitermesa (160) senkrecht zu der Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung kleiner ist als außerhalb des Trennbereiches (400).
  16. Bipolartransistor mit isoliertem Gate, umfassend: eine Halbleitermesa (160), die wenigstens eine Bodyzone (115) umfasst, die erste pn-Übergänge (pn1) mit Sourcezonen (110) und einen zweiten pn-Übergang (pn2) mit einer Driftzone (120) bildet, Elektrodenstrukturen (150, 180) auf entgegengesetzten Seiten der Halbleitermesa (160), wobei wenigstens eine der Elektrodenstrukturen (150, 160) eine Gateelektrode (155) umfasst, die gestaltet ist, um einen Ladungsträgerfluss durch die wenigstens eine Bodyzone (115) zu steuern, und einen Trennbereich (400) zwischen den längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesa (160) angeordneten Sourcezonen (110), wobei in den Trennbereich (400) die Halbleitermesa wenigstens eine partielle oder vollständige Einengung umfasst.
  17. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden von Elektrodentrenches in einem Halbleitersubstrat zwischen Halbleitermesas (160), die die Elektrodentrenches trennen, wobei die Halbleitermesas (160) jeweils Teile einer Driftschicht (120) eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine Bodyschicht (115) eines zweiten, komplementären Leitfähigkeitstyps zwischen einer ersten Oberfläche (101) des Halbleitersubstrats (100) und der Driftschicht (120) umfassen, Bilden von isolierten Sourcezonen (110) des ersten Leitfähigkeitstyps in den Halbleitermesas (160), wobei sich die Sourcezonen (110) von der ersten Oberfläche (101) in die Bodyschicht (115) erstrecken, und Bilden von Trennstrukturen (421) in den Halbleitermesas zwischen benachbarten Sourcezonen (110), die längs einer Ausdehnungs- bzw. Erstreckungsrichtung der Halbleitermesas (160) angeordnet sind, wobei die Trennstrukturen (421) jeweils partielle oder vollständige Einengungen der Halbleitermesa (160) bilden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem während einer Bildung der Elektrodentrenches Vorläuferhalbleitermesas (160a) mit eingeengten Teilen gebildet werden, und ein Bilden der Trennstrukturen (421) eine Oxidation des Materials der Vorläuferhalbleitermesas umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die eingeengten Teile vollständig durchoxidiert werden und die vollständig durchoxidierten eingeengten Teile die Trennstrukturen (421) bilden.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Halbleitermesas (160) mit spitz zulaufenden Teilen zwischen den eingeengten Teilen und Teilen von gleichmäßiger Breite gebildet werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Halbleitermesas (160) einkristallines Silizium sind, Seitenwände der Teile von gleichmäßiger Breite [100]-Kristallebenen sind und Seitenwände der spitz zulaufenden Teile [110]-Kristallebenen sind.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem die eingeengten Teile jeweils durch schmale Teile einer gleichmäßigen Breite zwischen zwei angrenzenden, spiegelinvertierten, spitz zulaufenden Teilen gebildet werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem ein spitzes Zulaufen in den spitz zulaufenden Teilen einseitig ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem die eingeengten Teile durch wenigstens zwei parallele Mesazweige der jeweiligen Halbleitermesa gebildet werden, und die Mesazweige schmaler sind als Teile der Halbleitermesas (160) außerhalb der eingeengten Teile.
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