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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere
ein zur Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung in einem Schaltwandler
geeignetes Halbleiterschaltelement.
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Aus
der
DE 100 01 394
A1 ist ein Schaltnetzteil mit einem eine Primärspule und
eine Sekundärspule
aufweisenden Transformator bekannt, bei dem ein MOS-Transistor in
Reihe zu der Primärspule
geschaltet und durch eine Ansteuerschaltung getaktet leitend und
sperrend angesteuert wird. Die Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung
erfolgt mittels einen weiteren MOSFET, dessen Laststrecke zwischen
die Primärspule
und einen Versorgungsanschluss der Ansteuerschaltung geschaltet
ist und der durch die Ansteuerschaltung angesteuert ist. Um eine
erste Ansteuerung des weiteren MOSFET zu ermöglichen ist eine Anlaufschaltung
vorgesehen, die nach dem Einschalten des Schaltnetzteils eine anfängliche
Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung zur Verfügung stellt.
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Aus
der
US 5 285 369 A ist
es bekannt, in Reihe zu der Primärspule
eines Transformators in einem Schaltnetzteil einen JFET (Junction
FET) und einen Leistungs-MOSFET zu schalten, wobei ein den Laststrecken
des MOSFET und des JFET gemeinsamer Knoten über zwei weitere MOSFET an
einen Versorgungsanschluss einer Ansteuerschaltung für den Leistungs-MOSFET
angeschlossen ist.
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Die
WO 02/47171 A1 beschreibt einen vertikalen MOSFET, dessen Source-Elektrode über hochohmiges
SIPOS an eine Drift-Zone angeschlossen ist.
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Die
EP 1 073 123 A2 beschreibt
einen MOSFET in dessen Drift-Zone
plattenförmige
Strukturen aus einem hochohmigen Material angeordnet sind, die zwischen
eine Source- und eine Drain-Zone
des MOSFET geschaltet sind und die gegenüber der Driftzone durch eine
Oxidschicht dielektrisch isoliert sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein für die Spannungsversorgung einer
Ansteuerschaltung in einem Schaltnetzteil geeignetes Bauelement
zur Verfügung
zu stellen, welches einen Versorgungsstrom nach der Anlaufphase
als und/oder einen Anlaufstrom während
der Anlaufphase bereitstellt, so dass keine zusätzliche Anlaufschaltung erforderlich
ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Merkmale
des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
gemäß der Merkmale
des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
umfasst wenigstens eine erste Anschlusszone eines ersten Leitungstyps
in einem Halbleiterkörper, die
durch eine erste Anschlusselektrode kontaktiert ist, eine Driftzone
des ersten Leitungstyps, an die sich eine zweite Anschlusszone des
zweiten Leitungstyps anschließt,
sowie eine zwischen der wenigstens einen ersten Anschlusszone und
der Driftzone angeordnete Kanalzone eines zweiten Leitungstyps und
eine isoliert gegenüber
dem Halbleiterkörper
und benachbart zu der Kanalzone angeordnete Steuerelektrode, wobei
durch die Kanalzone zwischen der ersten Anschlusszone und der Driftzone
in einem Bereich benachbart zu der Steuerelektrode ein im spannungsfreien
Zustand des Halbleiterbauelements sperrender erster Kanal gebildet
ist. Außerdem
ist die erste Anschlusselektrode über wenigstens einen zweiten
Kanal des ersten Leitungstyps an die Driftzone angeschlossen.
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Durch
das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
ist ein selbstsperrender und ein selbstleitender MOSFET realisiert,
die in einem Halbleiterkörper integriert
sind und die eine gemeinsame erste Anschlusselektrode, eine gemeinsame
Driftzone und eine gemeinsame zweite Anschlusszone bzw. eine zugehörige gemeinsame
zweite Anschlusselektrode aufweisen.
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Ein
derartiges Halbleiterbauelement eignet sich insbesondere zur Spannungsversorgung
einer Ansteuerschaltung in einem Schaltnetzteil, wobei bei nicht
angesteuerter Steuerelektrode der erste Kanal, der den Kanal des
selbstsperrenden MOSFET bildet, sperrt, während der zweite Kanal, der
den Kanal des selbstleitenden FET bildet, leitet um einen Anlaufstrom
für die
Ansteuerschaltung zu liefern.
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Das
Bauelement ist vorzugsweise aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut,
wobei die zweiten Kanäle
vorzugsweise so dimensioniert sind, dass der über diese Kanäle fließende Strom
wesentlich kleiner – vorzugsweise
um mehr als den Faktor 10 kleiner – ist, als der bei geeignet
angesteuerter Steuerelektrode über
die ersten Kanäle
fließende
Strom.
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Der
selbstleitende FET kann als Depletion MOSFET, als JFET oder als
Kombination von beiden ausgebildet sein, was durch die räumliche
Anordnung und die genaue Ausgestaltung des zweiten Kanals in dem
Halbleiterkörper
erreicht werden kann.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die erste Anschlusszone unterhalb einer Vorderseite
des Halbleiterkörpers
angeordnet ist, die Steuerelektrode isoliert gegenüber dem
Halbleiterkörper
oberhalb der Vorderseite angeordnet ist und der zweite Kanal des
ersten Leitungstyps zwischen der Vorderseite und der Kanalzone unterhalb
der Steuerelektrode ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der selbstleitende FET als Depletion FET ausgebildet, wobei
der zweite Kanal durch Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials
gesperrt werden kann. Dieses Ansteuerpotential ist bei einem n-leitenden FET, also
dann, wenn die Kanalzone p-dotiert und die erste Anschlusszone,
die Driftzone und der zweite Kanal n-dotiert sind, negativ gegenüber dem
Potential der zweiten Anschlusszone.
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Der
erste Kanal, der durch einen Abschnitt der Kanalzone benachbart
zu der Steuerelektrode gebildet ist, ist bei einer Ausführungsform,
bei der die Steuerelektrode oberhalb des Halbleiterkörpers gebildet
ist, vorzugsweise benachbart zu dem zweiten Kanal unterhalb der
Steuerelektrode vorhanden. Auf diese Weise kann eine Kanalzone sowohl
für den selbstsperrenden
FET als auch für
den selbstleitenden FET genutzt werden; ein selbstleitender und
ein selbstsperrender FET können
innerhalb einer Zelle realisiert sein.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
sind wenigstens zwei Kanalzonen vorhanden, die isoliert gegenüber der
Steuerelektrode und benachbart zu dieser angeordnet sind, wobei
nur zwischen einer ersten dieser Kanalzonen und der Vorderseite
des Halbleiterkörpers
ein zweiter Kanal des ersten Leitungstyps ausgebildet ist. Diese
erste Kanalzone ist somit Teil des in dem Halbleiterkörper integrierten selbstleitenden
FET. Die zweite dieser Kanalzonen dient zur Realisierung des selbstsperrenden
FET und umfasst keinen Kanal des ersten Leitungstyps. Diese zweite
Kanalzone trennt die erste Anschlusszone und die Driftzone vollständig, so
dass nur ein durch einen Abschnitt benachbart zu der Steuerelektrode gebildeter
erste Kanal vorhanden ist.
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Die
Dotierungskonzentration des zur Realisierung des selbstleitenden
FET erforderlichen zweiten Kanals kann je nach Querschnitt dieses
Kanals der Dotierungskonzentration der Driftzone entsprechen oder
größer oder
kleiner als diese Dotierungskonzentration sein.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, zur Realisierung des selbstleitenden FET
einen Depletion FET und einen JFET in Reihe zu schalten. Dies wird
dadurch erreicht, dass zwischen dem zweiten Kanal und der Driftzone
ein weiterer Kanal des ersten Leitungstyps vorhanden ist, der durch
das Potential an der Kanalzone gesteuert wird. Dieser Kanal ist
vorzugsweise zwischen zwei Kanalzonen des zweiten Leitungstyps gebildet,
und somit durch pn-Übergänge begrenzt.
Der Abstand dieser beiden benachbarten Kanalzonen bestimmt den Kanalquerschnitt
und ist so gewählt,
dass gewünschte
elektrische Eigenschaften des JFET erreicht werden. Dieser weitere
Kanal wird abhängig von
einem Potential an der Kanalzone gesteuert.
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Vorzugsweise
schließt
sich an die wenigstens eine Kanalzone eine Kompensationszone desselben
Leitungstyps wie die Kanalzone an, um ein Kompensationsbauelement
zu bilden. Kompensationsbauelemente und deren Vorteile sind grundsätzlich bekannt
und beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
US 5 216 275 A ,
US 4 754 310 , WO 97/29518
A1,
DE 43 09 764 C2 und
DE 198 40 032 C1 .
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der weitere Kanal, der Teil eines
JFET ist, zwischen zwei sich gegenüberliegenden Abschnitten dieser
Kompensationszonen ausgebildet ist.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, die erste Anschlusselektrode beabstandet
zu der ersten Anschlusszone direkt an die Driftzone im Bereich der
Vorderseite des Halbleiterkörpers anzuschließen, wobei
der zweite Kanal unterhalb der Vorderseite benachbart zu der Kanalzone
ausgebildet ist und nach Maßgabe
eines an der Kanalzone anliegenden Potentials leitet oder sperrt.
Hierdurch ist parallel zu dem selbstsperrenden FET ein JFET in dem
Halbleiterkörper
realisiert, wobei der durch den zweiten Kanal gebildete Kanal des
JFET über
das Potential an der Kanalzone abgeschnürt werden kann. Vorzugsweise
sind wenigstens zwei Kanalzonen vorhanden, die in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers
beabstandet sind, wobei der zweite Kanal zwischen zwei sich gegenüberliegenden
Abschnitten dieser Kanalzonen gebildet ist.
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Gegenstand
der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
mit einem ersten Kanal eines zweiten Leitungstyps und einem zweiten
Kanal eines ersten Leitungstyps zwischen einer ersten Anschlusszone
und einer Driftzone.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht zunächst
vor, einen Halbleiterkörper
oder eine Halbleiterschicht zur Verfügung zu stellen, die eine Driftzone eines
ersten Leitungstyps sowie eine in der Driftzone im Bereich einer
Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnete
Kanalzone eines zweiten Leitungstyps aufweist, wobei isoliert gegenüber dem
Halbleiterkörper
oberhalb der Vorderseite des Halbleiterkörpers eine Steuerelektrode
angeordnet ist. Eine derartige Anordnung stellt ein übliches
Zwischenprodukt bei der Herstellung von MOS-Transistoren dar und
ist mittels herkömmlicher
Herstellungsverfahren herstellbar.
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In
dieser Anordnung wird in der Steuerelektrode, bzw. in einer die
spätere
Steuerelektrode bildende Schicht, oberhalb der Kanalzone eine Aussparung
erzeugt, die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers bis
oberhalb der Driftzone reicht. Anschließend wird unterhalb der Steuerelektrode
in der Aussparung der Kanal mit Dotierstoffen des ersten Leitungstyps
dotiert, um einen Kanal des ersten Leitungstyps in der Kanalzone
zu bilden, der den späteren
zweiten Kanal des Bauelements bildet. Der zweite Kanal wird auf
diese Weise selbstjustiert in Bezug auf die Steuerelektrode erzeugt,
da seine Position durch die Aussparung in der Steuerelektrode vorgegeben
ist und die Steuerelektrode als Maske während des Dotierverfahrens
dient.
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Außerdem wird
eine erste Anschlusszone des ersten Leitungstyps in der Kanalzone,
die sich in dem Bauelement an den Kanal des ersten Leitungstyps
anschließt,
gebildet. Diese Anschlusszone kann nach der Herstellung des zweiten
Kanals des ersten Leistungstyps hergestellt werden, oder diese Anschlusszone
kann vor der Herstellung des Kanals des ersten Leistungstyps hergestellt
werden, wobei die Aussparung zur Erzeugung dieses Kanals in der Steuerelektrode
so hergestellt wird, dass sie in lateraler Richtung bis oberhalb
der ersten Anschlusszone reicht.
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Die
Herstellung der ersten Anschlusszone, die die spätere Source-Zone des Bauelements
bildet, erfolgt mittels herkömm licher
Verfahren beispielsweise dadurch, dass oberhalb der Kanalzone eine
Aussparung in der Steuerelektrode hergestellt wird, über welche
Dotierstoffatome des ersten Leistungstyps in die Kanalzone des zweiten
Leitungstyps implantiert und dort ausdiffundiert werden. Die Steuerelektrode dient
dabei als Maske für
den Implantationsschritt.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
ein Halbleiterbauelement hergestellt, bei dem zwischen einer ersten
Anschlusszone und einer Driftzone eine Kanalzone ausgebildet ist,
wobei die Kanalzone abschnittsweise einen ersten Kanal des zweiten
Leistungstyps bildet und wobei benachbart zu einem solchen ersten
Kanal ein zweiter Kanal des ersten Leitungstyps gebildet ist.
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Vorzugsweise
umfasst das Dotieren der Kanalzone unterhalb der Ränder der
Steuerelektrode zur Herstellung des Kanals des ersten Leitungstyps die
im folgenden erläuterten
Verfahrensschritte.
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Zunächst werden
Ladungsträger
des ersten Leistungstyps über
die Aussparung in die Kanalzone implantiert, wobei diese Implantation
direkt in die Kanalzone erfolgt, wenn die Aussparung durch die Steuerelektrode
und eine darunter liegende Isolationsschicht bis an den Halbleiterkörper reicht,
und wobei diese Implantation durch diese Isolationsschicht in den
Halbleiterkörper
erfolgt, wenn die Aussparung in der Steuerelektrode nur bis an die
Isolationsschicht reicht. An diese Implantation schließt sich ein
Diffusionsschritt an, um die implantierten Dotierstoffatome in dem
Halbleitermaterial unter die Kanten der Steuerelektrode in der Kanalzone
zu treiben. Dann werden die implantierten Dotierstoffatome in der
Kanalzone am Boden der Aussparung derart entfernt, dass Dotierstoffatome
unter Rändern
der Steuerelektrode in der Kanalzone verbleiben. Diese Entfernung
erfolgt beispielsweise mittels eines anisotropen Ätzverfahrens
unter Verwendung der Aussparung in der Steuerelektrode als Maske.
Abschließend wird
die Aussparung mit einem isolierenden Füllmaterial, beispielsweise
einem Polyimid oder einem Halbleiteroxid, aufgefüllt.
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Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, den Kanal des ersten Leitungstyps dadurch zu erzeugen,
dass Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps über die Aussparung unter einem
Implantationswinkel größer 0°, also schräg, in die
Kanalzone implantiert werden, wodurch eine Implantation unter die Ränder der
Steuerelektrode erfolgt. Optional kann sich ein Diffusionsschritt
anschließen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
in einem Schaltwandler einzusetzen, der einen Übertrager mit einer Primärspule und
einer Sekundärspule, wobei
in Reihe zu der Primärspule
ein Halbleiterschalter geschaltet ist, und eine Ansteuerschaltung zur
Bereitstellung eines Ansteuersignals für den Halbleiterschalter, die
einen Versorgungsanschluss umfasst, aufweist. Die erste und zweite
Anschlusszone des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist
dabei zwischen die Primärspule
und den Versorgungsanschluss der Ansteuerschaltung geschaltet.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
in Seitenansicht im Querschnitt (1a), dessen
elektrisches Ersatzschaltbild (1b) und
dessen Kennlinie (1c),
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
in Seitenansicht im Querschnitt,
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3 einen Querschnitt in Draufsicht durch die
Halbleiterbauelemente gemäß 1 und 2 bei einer
Ausführungsform
mit kreisförmiger
Kanalzone (3a) und einer Ausführungsform
mit streifenförmiger
Kanalzone (3a),
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
in Seitenansicht im Querschnitt,
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
in Seitenansicht im Querschnitt,
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6 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
in Seitenansicht im Querschnitt,
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7 eine perspektivische Schnittdarstellung
(7a) und eine Darstellung in Draufsicht (7b)
eines Halbleiterkörpers
mit einer Driftzone, einer Kanalzone und einer Steuerelektrode mit sechseckigen
Kontaktlöchern
in der Steuerelektrode, der ein Zwischenprodukt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
darstellt,
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8 eine perspektivische Schnittdarstellung
(8a) und eine Darstellung in Draufsicht (8b)
eines Halbleiterkörpers
mit einer Driftzone, einer Kanalzone und einer Steuerelektrode mit
langgestreckten Kontaktlöchern
in der Steuerelektrode, der ein Zwischenprodukt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
darstellt,
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9 einen
Ausschnitt eines Halbleiterkörpers
nach 7 oder 8,
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10 den
Ausschnitt gemäß 9 nach dem
Erzeugen einer Aussparung in der Steuerelektrode,
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11 eine Draufsicht (11a) auf eine Halbleiterkörper gemäß 7 (11b) und eine Draufsicht auf einen Halbleiterkörper gemäß 8 nach dem Erzeugen der Aussparung,
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12 den
Ausschnitt gemäß 10,
nach dem Einbringen von Dotierstoffatomen in die Kanalzone,
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13 den
Ausschnitt gemäß 12,
nach dem teilweisen Entfernen der Kanalzone unterhalb der Aussparung,
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14 eine Draufsicht (14a) auf eine Halbleiterkörper gemäß 7 und
eine Draufsicht (14b) auf einen Halbleiterkörper gemäß 8 nach dem Einbringen von Dotierstoffatomen
in die Kanalzone,
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15 den
Ausschnitt gemäß 13 nach dem
Auffüllen
der Aussparung mit einem Füllmaterial,
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16 Querschnitte durch die Anordnungen gemäß 14 in drei Schnittebenen senkrecht zu der
Schnittebene gemäß 14,
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17 Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement
nach einem Verfahrensschritte, bei dem Aussparungen in der Steuerelektrode
oberhalb der Kanalzone erzeugt wurden,
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18 Anwendungsbeispiel
für ein
erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement
in einem Schaltnetzteil.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1a zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
in Seitenansicht im Querschnitt. Dieses Halbleiterbauelement ähnelt auf
den ersten Blick einem zellenartig aufgebauten Leistungs-MOSFET.
Das Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer
Driftzone 3 eines ersten Leitungstyps, in der im Bereich
einer Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 mehrere
Kanalzonen 5A, 5B, 5C eines zu dem ersten
Leitungstyp komplementären
zweiten Leitungstyps angeordnet sind. In diese Kanalzonen 5A, 5B, 5C sind ebenfalls
im Bereich der Vorderseite 101 Anschlusszonen 2 des
ersten Leitungstyps eingebettet, wobei diese ersten Anschlusszonen 2 mittels
einer Anschlusselektrode 22 kontaktiert sind, wobei diese
Anschlusselektrode 22 sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 durch
die ersten Anschlusszonen 2 bis in die Kanalzonen 5A, 5B, 5C erstreckt,
um die ersten Anschlusszonen 2 und die Kanalzonen 5A, 5B, 5C kurzzuschließen.
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Oberhalb
der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 ist eine
Steuerelektrode 6 vorhanden, von der in Schnittdarstellung
gemäß 1 mehrere Abschnitte dargestellt sind.
Diese Steuerelektrode 6 liegt benachbart zu den Kanalzonen
und ist mittels einer Isolationsschicht 61 gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 und
gegenüber
der ersten Anschlusselektrode 22 isoliert.
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Nach
unten schließt
sich an die Driftzone 3 eine zweite Anschlusszone 31 des
ersten Leitungstyps an, die üblicherweise
stärker
als die Driftzone 3 dotiert ist.
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An
die Kanalzonen 5A, 5B, 5C schließen sich
in dem Ausführungsbeispiel
Kompensationszonen 8A, 8B, 8C an, die
mit Dotierstoffatomen desselben Leitungstyps wie die Kanalzonen 5A, 5B, 5C dotiert
sind, wobei die Dotierungsverhältnisse
der Driftzone 3 und der Kompensationszonen 8A, 8B, 8C dem
Prinzip bei Kompensationsbauelementen folgend so gewählt sind,
dass in etwa gleich viele Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in
der Driftzone 3 wie Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in
den Kompensationszonen 8A, 8B, 8C vorhanden sind,
so dass die Kompensationszonen 8A–8C und die Driftzone 3 bei
sperrendem Halbleiterbauelement sich gegenseitig ausräumen können.
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Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
umfasst weiterhin Kanäle 71 des
ersten Leitungstyps, die zwischen der ersten Anschlusszone 2 und
der Driftzone 3 ausgebildet sind.
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Diese
Kanäle 71 sind
in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 in den Kanalzonen 5A, 5C im Bereich
der Vorderseite 101 unterhalb der Steuerelektrode 6 ausgebildet.
Die Kanäle 71 reichen
in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 von der
ersten Anschlusszone 2 bis in den Bereich der Driftzone 3,
der sich nach oben bis an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 erstreckt.
In vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers erstrecken sich die Kanäle 71 in
dem Beispiel in etwa bis an den unteren Rand der ersten Anschlusszone 2.
Es sei darauf hingewiesen, dass abhängig von den gewünschten
elektrischen Eigenschaften diese Kanäle 71 auch oberhalb
des unteren Randes der ersten Anschlusszone 2 enden können, sich
in vertikaler Richtung also auch weniger weit in den Halbleiterkörper 100 hinein
erstrecken können
als die Anschlusszone 2, wobei die Dotierungskonzentration
der zweiten Kanäle 71 dann
auch höher
sein kann als die Dotierungskonzentration der Driftzone 3.
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Das
Bauelement gemäß 1a realisiert
in einem Halbleiterkörper
einen selbstsperrenden MOSFET (Enhancement MOSFET) und einen selbstleitenden
MOSFET (Depletion MOSFET). Das elektrische Ersatzschaltbild dieses
Halbleiterbauelements sowie dessen Kennlinie ist in den 1b und 1c dargestellt.
Die erste Anschlusselektrode 21 bildet die Source-Elektrode
sowohl des selbstsperrenden MOSFET als auch des selbstleitenden
MOSFET. Ebenfalls beiden Bauelementen gemeinsam ist die Driftzone 3 mit
den Kompensationszonen 8A, 8B, 8C und
die zweite Anschlusszone 31, wobei letztere die Drain-Zone
der beiden MOSFET bildet. Ebenfalls beiden MOSFET gemeinsam ist
die Steuerelektrode 6, die die Gate-Elektrode bildet. In 1a ist
durch schematisch eingezeichnete elektrische Verbindungen veranschaulicht,
dass die dort dargestellten Elektrodenabschnitte elektrisch miteinander
verbunden sind bzw. Bestandteil nur einer durchgängigen Elektrode sind, die
im Bereich von Anschlusskontakten der Anschlusselektrode 22 an
die erste Anschlusszone 2 und die Body-Zonen 5A, 5B, 5C Kontaktlöcher aufweist.
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Die
Kanalzonen 5A, 5B, 5C bilden in Bereichen
unterhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 und
benachbart zu der Steuerelektrode 6 Kanäle 51 des selbstsperrenden
MOSFET, wobei das Leitverhalten dieser Kanäle 51 über ein
Ansteuerpotential der Gate-Elektrode 6 einstellbar ist.
Bei einem n-leitenden
MOSFET sind die erste Anschlusszone 1, die Driftzone 3 und
die Drainzone 31 sowie die Kanäle 71 n-dotiert, während die
Kanalzonen 5A, 5B, 5C und die Kompensationszonen 8A, 8B, 8C p-dotiert
sind. Bei Anlegen einer positiven Drain-Source-Spannung sperrt der zwischen
dem Kanal 51 und der Driftzone 3 gebildete pn-Übergang sofern
kein positives Ansteuerpotential an der Steuerelektrode 6 anliegt.
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Die
Kanäle 71 realisieren
bei einem n-leitenden MOSFET eine n-leitende Verbindung zwischen der
ersten Anschlusszone 2 und der Driftzone 3, so dass
auch bei einem Ansteuerpotential von 0 Volt an der Gate-Elektrode 6 ein
leitender Kanal zwischen der ersten Anschlusszone 2 und
der Driftzone 3 besteht.
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Die
Funktionsweise des Halbleiterbauelements gemäß 1a wird
nachfolgend anhand des Kennlinienfeldes in 1c erläutert, wobei
für das Kennlinienfeld
davon ausgegangen ist, dass es sich bei dem dargestellten Bauelement
um ein n-leitendes Bauelement handelt, bei dem die Source-Zone 2,
die Driftzone 3, die Drain-Zone 31 sowie die Kanalzone 71 n-dotiert
sind, während
die Kanalzonen 5A, 5B, 5C, die auch als Body-Zonen
bezeichnet werden, sowie die Kompensationszonen 5A, 5B, 5C p-dotiert sind.
Die Kennlinie in 1c veranschaulicht den Strom
zwischen der Drain-Zone D,31 und der Source-Elektrode S, 22 bei
einer gegebenen positiven Drain-Source-Spannung,
abhängig
von dem Potential an der Gate-Elektrode
bzw. einer Gate-Source-Spannung Ugs zwischen der Gate-Elektrode 6 und
der Source-Elektrode S, 22. Die Kennlinie zeigt, dass bereits
bei Gate-Source-Spannungen von 0V ein Strom fließt, der durch die selbstleitenden
Kanäle 71 ermöglicht wird.
Dieser Strom steigt bei zunehmender Gate-Source-Spannung Ugs ab Erreichen einer Schwellenspannung
Ugs1 an, wobei diese Schwellenspannung Ugs1 dadurch bestimmt ist, dass
sich im Bereich der Kanäle 51 in
den Kanalzonen 5A, 5B, 5C n-Ladungsträger ansammeln,
die eine n-leitende Verbindung zwischen der Source-Zone 2 und
der Drift-Zone 3 bereitstellen. Das Halbleiterbauelement
ist bei Überschreiten
dieser Schwellenspannung voll eingeschaltet.
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Verringert
man die Gate-Source-Spannung Ugs zu negativen Werten hin, so nimmt
der Drain-Source-Strom bei Erreichen einer negativen Schwellenspannung
-Ugs2 stark ab und nähert
sich annäherungsweise
dem Wert 0 an. In diesem Schaltzustand sind die n-dotierten Kanäle 71 bedingt
durch die negative Gate-Source-Spannung
Ugs abgeschnürt.
Das Bauelement sperrt vollständig,
wobei ein bei Anlegen einer Drain-Source-Spannung noch fließender Strom
aus unvermeidlichen Leckverlusten resultiert.
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Das
Verhältnis
des Stromes bei einer Gate-Source-Spannung von 0V und des Stromes
in voll eingeschaltetem Zustand nach Überschreiten der Schwellenspannung
Ugs1 kann über
das Verhältnis
der Querschnitte der selbstsperrenden Kanäle 51 zu den Querschnitten
der selbstleitenden Kanäle 71 und über die
Dotierung der selbstleitenden Kanäle eingestellt werden. Vorzugsweise
ist der gesamte Querschnitt der selbstleitenden Kanäle 71,
der sich aus der Summe der Einzelquerschnitte aller Kanäle 71 ergibt,
klein im Verhältnis
zu den Gesamtkanalquer schnitten der selbstsperrenden Kanäle 51,
der sich aus der Summe der Einzelquerschnitte aller Kanäle 51 ergibt.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass nur bei einigen
der Kanalzonen, in dem Beispiel bei den Kanalzonen 5A, 5C Kanäle 71 des
ersten Leitungstyps vorgesehen sind, und dass darüber hinaus
an einer Kanalzone 5A, 5C, bei der sowohl selbstsperrende
Kanäle 51 als
auch selbstleitende Kanäle 71 vorhanden
sind, die Abmessungen der selbstleitenden Kanäle 71 klein im Verhältnis zu
den Abmessungen der selbstsperrenden Kanäle 51 sind, wie im
Folgenden anhand von 3 erläutert wird.
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3 zeigt einen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement
gemäß 1a in
der in 1a eingezeichneten Schnittebene
I-I. Dabei zeigt 3 in den 3a und 3b zwei
unterschiedliche Ausführungsbeispiele,
wobei Querschnitte entlang der Schnittlinien II-II in den Halbleiterbauelementen
gemäß 3a und 3b zu
der Darstellung gemäß 1a führen.
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3a zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Kanalzonen 5A, 5C kreisförmig in
der Driftzone 3 ausgebildet sind. Die Kanalzonen 5A, 5C sind in
dieser Darstellung ringförmig
um die ersten Anschlusszonen 2 ausgebildet, wobei die Kanäle des ersten
Leitungstyps 71 Sektoren dieses Kreisrings sind. In dem
Beispiel gemäß 3 sind Abmessungen dieser Sektoren bezogen
auf den Gesamtumfang gering, um das erwünschte Verhältnis zwischen dem Strom über die
Kanäle 71 und
die Kanäle 51 einzustellen.
Vorzugsweise sind mehrere derartige Kanäle 71 über diesen
ringförmigen
Abschnitt der Kanalzone 5C verteilt, wie dies strichpunktiert
in 3a eingezeichnet ist.
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Die
zwei die Source-Zone kontaktierenden Anschlussstifte der Source-Elektrode 22 sind
in dem Ausführungsbeispiel
sechseckförmig,
wobei ein darüber
liegendes Kontaktloch der Gate- Elektrode,
welches in 3a gestrichelt eingezeichnet
ist, ebenfalls sechseckförmig
ist.
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3b zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Kanalzonen 5A, 5C in lateraler
Richtung des Halbleiterkörpers 100 langgestreckt
ausgebildet sind, wobei die Source-Zone 2, die Anschlusskontakte,
Source-Elektrode 22 sowie die darüber liegende Gate-Elektrode,
die in 3b gestrichelt eingezeichnet
ist, ebenfalls langgestreckt ausgebildet sind. Die Abmessungen der
Kanäle 71 des
ersten Leitungstyps in lateraler Richtung sind dabei klein gegenüber den
Abmessungen der Kanalzonen 5A, 5C bzw. der selbstsperrenden
Kanäle
in diesen Kanalzonen 5A, 5C.
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2 zeigt
eine Abwandlung des in 1a dargestellten Halbleiterbauelementes,
wobei bei diesem Halbleiterbauelement zwischen der ersten Anschlusszone 2 und
der Driftzone 3 neben den Kanälen 71 des ersten
Leitungstyps ein weiterer Kanal 91 des ersten Leitungstyps
ausgebildet ist. Dieser weitere Kanal 91 ist durch zwei
in lateraler Richtung beabstandet angeordnete Kanalzonen 5A, 5C begrenzt, wobei
diese Kanalzonen 5A, 5C im Vergleich zu den übrigen Kanalzonen 5B in
lateraler Richtung Verbreiterungen 52A, 52C aufweisen,
zwischen denen der Kanal 91 gebildet ist, so dass die Kanalzonen 5A, 5C unterhalb
der selbstleitenden Kanäle 71 enger
beisammen liegen, als in den übrigen
Bereichen, in denen die Kanalzonen, beispielsweise die Kanalzone 5A, 5B ebenfalls
benachbart angeordnet sind, bei denen jedoch keine selbstleitenden
Kanäle 71 sondern selbstsperrende
Kanäle 51 vorhanden
sind.
-
Die
Anordnung mit den Abschnitten 52A, 52C der Kanalzonen 5A, 5C und
dem dazwischen liegenden Kanal 91 des ersten Leitungstyps
funktioniert nach Art eines JFET, wobei der Kanal 91 abhängig von
dem Potential an den Kanalzonen 5A, 5C abgeschnürt wird,
wenn sich ausgehend von den pn-Übergängen Raumladungszonen
ausbilden, die sich in der Mitte des Kanals 91 berühren.
-
Bei
dem Bauelement gemäß 2 ist
der selbstleitende FET somit durch eine Kombination eines Depletion-FET
und eines JFET gebildet. Der Kanal 91 wird bei einem Maximalstrom
Imax abgeschnürt.
Die Kanalzonen 5A, 5C bzw. 52A, 52C liegen über die
Elektrode 22 auf Source-Potential. Der Kanal 91 liegt
auf einem verglichen zu Source-Potential höheren Potential, das proportional
zu einem Strom I durch den Kanal 91 und dem Widerstand
des Kanals 71 ist. Erreicht der Strom I durch den Kanal 91 den
Maximalstrom Imax so wird der Kanal 91 abgeschnürt. Der
den Kanal 91 durchfließende
Strom wird so auf einen Wert unterhalb des Maximalstromes Imax begrenzt.
Durch diese strombegrenzende Wirkung funktioniert der Strukturbereich
mit den Kanälen 71 und 91 nach
Art einer Konstantstromquelle.
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Die
in den 3a und 3b dargestellten Querschnitte
gelten auch für
das Halbleiterbauelement gemäß 2.
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4 zeigt
eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles
gemäß 2,
wobei bei diesem Ausführungsbeispiel
ein Kanal 92 des zweiten Leitungstyps zwischen Abschnitten
der Kompensationszonen 8A, 8C verläuft. Die
Kompensationszonen 8A, 8C weisen in diesem Bereich
Verbreiterungen 81A, 81C auf, um den Querschnitt
des Kanals 92 zu definieren, wobei dieser Kanalquerschnitt 92 wesentlich geringer
ist, als der Abstand der Kanalzonen 8A, 8B in
solchen Bereichen, in denen keine Kanäle 71 des ersten Leitungstyps
oberhalb angeordnet sind.
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Eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
ist in 5 dargestellt. Dieses Halbleiterbauelement unterscheidet
sich von dem in den 1 bis 4 dargestellten
dadurch, dass keine Kanäle
des ersten Leitungstyps in den Kanalzonen 5A, 5C angeordnet sind.
Ein Kanal 72 des ersten Leitungstyps ist bei diesem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 zwischen
der ersten Anschlusselektrode 22 und der Driftzone 3 dadurch
gebildet, dass die erste Anschluss elektrode 22 den Halbleiterkörper 100 im
Bereich der Vorderseite 101 direkt in einem solchen Bereich
kontaktiert, in dem die Driftzone 3 zwischen zwei benachbarten
Kanalzonen 5A, 5C bis an die Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers 100 reicht.
Der Kanal 72 ist dabei zwischen zwei in lateraler Richtung
beabstandeten Kanalzonen 5A, 5C gebildet, wobei
diese Kanalzonen 5A, 5C im Bereich des Kanals 72 in
lateraler Richtung durch Abschnitte 53A, 53C des
zweiten Leitungstyps verbreitert sind, um die Kanalweite des Kanals 72 zu
definieren. Im Bereich des Kanals 72 sind die benachbarten
Kanalzonen 5A, 5C damit enger beabstandet, als
in übrigen
Bereichen, beispielsweise im Bereich zwischen den Kanalzonen 5A und
der Kanalzone 5B, bei denen kein an die Anschlusselektrode 22 angeschlossener
Kanal 72 des ersten Leitungstyps vorhanden ist. Im Bereich
des Anschlusskontakts 212 der Anschlusselektrode 22 an
den Halbleiterkörper 100 ist
keine Gate-Elektrode vorhanden bzw. sind Abschnitte der Gate-Elektrode 6 entfernt.
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Der
Kanal 72 des ersten Leitungstyps mit den ihn begrenzenden
Abschnitten 53A, 53C des zweiten Leitungstyps
bildet zusammen mit der ersten Anschlusselektrode 22, der
Driftzone 3 und der zweiten Anschlusszone bzw. Drain-Zone 31 einen
JFET, wobei der Kanal dieses JFET über das Potential an den Kanalzonen 5A, 5C abgeschnürt werden
kann. Dieses Potential an den Kanalzonen 5A, 5C entspricht
wegen des Kurzschlusses der Source-Zonen 2 und der Kanalzone 5A, 5C dem
Source-Potential. Das Potential dieses Kanals 72 wird durch
einen den Kanal durchfließenden
Strom angehoben, wobei der Kanal bei Erreichen eines Maximalstromes
sperrt und damit den Stromfluss begrenzt.
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6 zeigt
eine Abwandlung des Halbleiterbauelements gemäß 5, wobei
sich das Halbleiterbauelement gemäß in 6 von dem
in 5 dargestellten dadurch unterscheidet, dass sich
der Kanal 72 des ersten Leitungstyps ausgehend von der Vorderseite 101 in
vertikaler Richtung zur Driftzone 3 hin verjüngt. Dies
wird dadurch erreicht, das die den Kanal 72 definierenden
in lateraler Richtung beabstandet angeordneten Kanalzonen 5A, 5C in
diesem Bereich dotierte Abschnitte 54A, 54C des
zweiten Leitungstyps aufweisen, die beispielsweise stufenförmig ausgebildet
sind, um so einen Kanal 72 mit einer größeren Kanalbreite unmittelbar
unterhalb der Vorderseite 101 und einen Kanal mit einer
geringeren Kanalbreite im Abstand zu der Vorderseite 101 zu
erhalten.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes,
bei welchem ein selbstsperrender FET und ein selbstleitender FET
in einem Halbleiterkörper
integriert sind, wird nachfolgend anhand der 7 bis 16 erläutert. 7 zeigt in perspektivischer Ansicht (7a)
und in Draufsicht (7b) eine Halbleiteranordnung, die den Ausgangspunkt
des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet
und die mittels herkömmlicher
in der Halbleitertechnologie bekannter Verfahren herstellbar ist
und bei der Herstellung zellenartig aufgebauter Leistungs-MOSFET
als Zwischenprodukt entsteht. Die Anordnung umfasst einen Halbleiterkörper 100,
der eine Anschlusszone 31, die spätere Drain-Zone des ersten
Leitungstyps und eine auf die erste Anschlusszone 31 aufgebrachte
Driftzone 3 des ersten Leitungstyps aufweist, wobei die
Driftzone 3 üblicherweise
niedriger als die Anschlusszone dotiert ist. Die nicht maßstabsgerecht
dargestellte erste Anschlusszone 31 ist beispielsweise
ein Halbleitersubstrat, auf welches die Driftzone 3 mittels
Epitaxie aufgebracht ist. Auf eine Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers oberhalb
der Driftzone 3 ist eine Steuerelektrodenschicht 6 aufgebracht,
die mittels einer dazwischen liegenden Isolationsschicht 61,
beispielsweise einem Halbleiteroxid, wie z.B. Siliziumdioxid, gegenüber dem
Halbleiterkörper 100 isoliert
ist. Die Steuerelektrodenschicht 6 und die Isolationsschicht 61 weisen in
dem Ausführungsbeispiel
sechseckförmige
Kontaktlöcher 62 auf,
die bis an die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers reichen.
Unterhalb dieser Kontaktlöcher 62 sind
in die Driftzone 3 Kanalzonen 5 des zweiten Leitungstyps
eingebracht. Diese Kanalzonen 5 sind in Draufsicht etwa
kreisförmig,
wie dies gestrichelt in 7b eingezeichnet
ist. Diese Kanalzonen 5 wer den beispielsweise dadurch erzeugt,
dass im Bereich der Kontaktlöcher 62 Dotierstoffatome
des zweiten Leitungstyps in den Halbleiterkörper 100 implantiert
und anschließend
ausdiffundiert werden, um auf diese Weise Kanalzonen 5 zu
erhalten, deren Abmessungen in lateraler Richtung größer sind
als die Abmessungen der Kontaktlöcher 62.
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8 zeigt ausschnittsweise in perspektivischer
Darstellung (8a) und in Draufsicht (8b)
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Halbleiteranordnung als Ausgangsanordnung für das erfindungsgemäße Verfahren.
Diese Halbleiteranordnung gemäß 8 unterscheidet sich von der in 7 dargestellten durch die Geometrie der
Kontaktlöcher
bzw. Aussparungen 62 in der über dem Halbleiterkörper 100 aufgebrachten
Elektrodenschicht. Diese Aussparungen sind in dem Beispiel gemäß 8 in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers langgestreckt
bzw. streifenförmig
ausgebildet. Die Kanalzonen 5 verlaufen entsprechend langgestreckt
unterhalb der Aussparungen 62 in dem Halbleiterkörper 100.
Die gestrichelten Linien in 8 veranschaulichen
den Übergang
zwischen der Kanalzone 5 und der Driftzone 3 unterhalb
der Steuerelektrode 6.
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9 zeigt
einen Querschnitt durch die Halbleiteranordnungen gemäß der 7 und 8 entlang
der in den 7b und 8b eingezeichneten Schnittlinien
IV-IV.
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10 zeigt
diesen Ausschnitt nach einem ersten Verfahrensschritt, bei welchem
ein unter Verwendung einer Maske 200, insbesondere einer
Lackmaske, ein Graben 66 in die Elektrodenschicht 6 und die
Isolationsschicht 61 eingebracht wurde, der bis an die
Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers reicht.
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11a zeigt eine Draufsicht ohne Lackmaske auf eine
Anordnung gemäß 7 nach der Herstellung dieses Grabens 66,
und 11b zeigt eine Anordnung gemäß 8 nach der Herstellung dieses Grabens 66.
Daraus ist ersichtlich, dass der oder die Gräben 66 in der Elektrodenschicht 6 oberhalb
der Kanalzone 5 derart erzeugt werden, dass sie von den
Kontaktlöchern 66 bis
oberhalb der Driftzone 3 reichen. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 11a wird ein solcher Graben 66 zu jeder
Kontaktaussparung 62 der Elektroden 6 erzeugt.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 11 werden mehrere solche Gräben 66 in
lateraler Richtung beabstandet entlang der Aussparung 62 in
der Elektrodenschicht 6 erzeugt.
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12 zeigt
einen Ausschnitt entlang der Schnittlinien V-V in den 11A und 11B,
der dem Ausschnitt entlang der Schnittlinie IV-IV in den 7A und 7B entspricht,
während
eines weiteren Verfahrensschrittes. Bei diesem Verfahrensschritt
ist noch die Lackmaske 200, die in der Darstellung der 11A und 11B weggelassen
ist, auf die Steuerelektrode 6 aufgebracht. Unter Verwendung
dieser Lackmaske 200 werden Dotierstoffatome des ersten
Leitungstyps über
die Aussparung 62 in der Elektrodenschicht 6 und
der Isolationsschicht 61 in die Kanalzone 5 derart
eingebracht, dass eine dotierte Zone 71' des ersten Leitungstyps entsteht, die
in der Kanalzone 5 bis unterhalb der Elektrode 6 reicht.
-
Diese
dotierte Zone 71' wird
beispielsweise dadurch erzeugt, das Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps
in die Kanalzone 5 implantiert werden, wobei sich an dieses
Implantationsverfahren ein Diffusionsverfahren anschließt, um die
implantierten Dotierstoffatome insbesondere unter die Ränder der Steuerelektrode 6 in
der Kanalzone 5 auszutreiben.
-
Bei
einem weiteren möglichen
Verfahren zur Herstellung dieser dotierten Zone 71' ist vorgesehen, die
Dotierstoffatome schräg,
d. h. unter einem Winkel größer als
0°, gegenüber der
Senkrechten in die Kanalzone 5 zu implantieren, so dass
bereits während des
Implantationsschrittes Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps
unter die Ränder
bzw. Kanten der Steuerelektrode 6 der Kanalzone 5 implantiert
werden.
-
In
nächsten
Verfahrensschritten, deren Ergebnis in 13 dargestellt
ist, wird die dotierte Schicht 71' derart teilweise entfernt, dass
lediglich dotierte Bereiche 71 unterhalb der Elektrode 6 bzw. der
Isolationsschicht 61 verbleiben. Dieses teilweise Entfernen
der dotierten Schicht 71' erfolgt
beispielsweise mittels eines anisotropen Ätzverfahrens unter Verwendung
der Lackmaske 200 oder einer Hartmaske, wobei durch dieses Ätzverfahrens
der Graben 62 in der Elektrodenschicht 6 und der
Isolationsschicht 61 in die Kanalzone 5 bis unterhalb
der dotierten Schicht 71 ausgedehnt wird, um so die dotierte Zone 71' und Teile der
Kanalzone 5 zu entfernen. Der in 13 gestrichelt
markierte Ausschnitt A ist in 13 vergrößert neben
der Ausschnittsdarstellung V-V gezeigt.
-
Während sich
der Graben 62 in den zuvor erläuterten Figuren bis an die
Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers erstreckt, ist bei einer
anderen nicht dargestellten Ausführungsform
vorgesehen, diesen Graben zunächst
nur bis an die Isolationsschicht 61 voranzutreiben und
die Implantation durch diese Isolationsschicht 61 in die
Kanalzone 5 durchzuführen.
Die Isolationsschicht 61 wird oberhalb des Halbleiterkörpers 100 dann
erst bei dem Ätzverfahren
zur teilweisen Entfernung der dotierten Schicht 71' entfernt.
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14a zeigt eine Anordnung gemäß 7 mit
sechseckförmigen
Aussparungen 62 in der Elektrodenschicht nach dem anhand
von 13 erläuterten
Verfahrensschritten. 14b zeigt eine Vorrichtung gemäß 8 nach diesen Verfahrensschritten. Daraus
wird deutlich, dass sich die dotierten Zonen 71 in der
Kanalzone unterhalb der Steuerelektrode 6 von den Aussparungen 62 bis
in die Driftzone 3 erstrecken.
-
In
nächsten
Verfahrensschritten wird der Graben 62 mit einer Isolationsschicht 67 aufgefüllt, und
die Maske 200 oberhalb der Elektrodenschicht 6 wird
entfernt. 15 zeigt das Halbleiterbauelement in
einer Schnittdarstellung, die der Schnittdarstellung in den 9, 10, 12 und 13 entspricht, nach
diesem nächsten
Verfahrensschritt. Aufgefüllt werden
dabei nur die Gräben 66,
die sich von den Kontaktlöchern 62 bis
oberhalb der Driftzone 3 erstrecken. Die Kontaktlöcher 62 werden
dabei zunächst
nicht aufgefüllt
bzw. nach dem Auffüllen
wieder geöffnet.
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Es
schließen
sich nun herkömmliche
Verfahrensschritte zur Erzeugung einer Anschlusszone des ersten
Leitungstyps an, die als Source-Zone des Halbleiterbauelement dient.
Diese Verfahrensschritte umfassen beispielsweise das Implantieren
von Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps in die Kanalzone 5 unter
Verwendung der Aussparungen 62 als Maske und die anschließende Ausdiffusion
dieser Dotierstoffatome unter die Ränder der Elektrodenschicht 6 im
Bereich der Aussparungen 62. Abschließend wird eine Isolationsschicht
auf die Oberseite der Elektrodenschicht 6 und auf freiliegende
Bereiche der Elektrodenschicht 62 aufgebracht und ein Kontaktloch
in den Halbleiterkörper 100 eingebracht, welches
durch die zweite Anschlusszone 2 bis in die Kanalzone 5 reicht.
Abschließend
wird eine Elektrodenschicht 62 abgeschieden, die das Kontaktloch auffüllt und
die die Isolationsschicht oberhalb der Elektrode 6 überdeckt
und die als Source-Elektrode des Bauelements dient. 16 zeigt
ein daraus resultierendes Halbleiterbauelement in drei verschiedenen
Schnittebenen, die den Schnittebenen VI, VII und VIII entsprechen,
die in den 14a und 14b eingezeichnet
sind.
-
Der
Querschnitt entlang der Schnittebene VI-VI, der in 16a dargestellt ist, gleicht einem ausschnittsweisen
Querschnitt durch einen herkömmlichen
selbstsperrenden Leistungs-MOSFET. In
der Driftzone 3 des ersten Leitungstyps ist dabei eine
Kanalzone 5 des zweiten Leitungstyps angeordnet, wobei
in der Kanalzone 5 wiederum eine erste Anschlusszone 2 des
ersten Leitungstyps angeordnet ist, die mittels einer Anschlusselektrode 22 kontaktiert
ist, wobei die Anschlusselektrode 22 die erste Anschlusszone 2,
also die Source-Zone, und die Kanalzone, also die Body-Zone, kurzschließt. Die
Steuerelektrode 6, die die Gate-Elektrode bildet, befindet sich
oberhalb des Halbleiterkörpers 100 benachbart zu
der Body-Zone 5 und verläuft in lateraler Richtung zwischen
der Source-Zone 2 und der Driftzone 3. Unterhalb
der Gate-Elektrode 6 ist
in der Kanalzone 5 ein Kanal 51 gebildet, der
im spannungslosen Zustand des Halbleiterbauelements sperrt und der
leitet, wenn eine positive Spannung zwischen der Gate-Elektrode 6 und
der Source-Elektrode 22 bzw. der Source-Zone 2 angelegt wird.
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Die
Besonderheit des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
zeigt sich in dem Querschnitt VII-VII, der in 16b dargestellt ist. Daraus wird deutlich, dass
das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
neben dem selbstsperrenden Kanal 51 in der Kanalzone 5 einen
Kanal 71 des ersten Leitungstyps aufweist, der sich von
der Source-Zone 2 bis in die Driftzone 3 erstreckt,
wobei dieser Kanal 71 desselben Leitungstyps wie die Source-Zone 2 und die
Driftzone 3 bereits dann leitet, wenn kein Ansteuerpotential
an die Gate-Elektrode 6 angelegt wird. Dieser leitenden
Kanal 71 resultiert aus der dotierten Schicht 71' des ersten
Leitungstyps, deren Herstellung anhand der 12 und 13 erläutert wurde. Sofern
die Kontaktlöcher 62 der
Elektrode während der
Herstellung dieser dotierten Schicht 71' nicht abgedeckt sind, erstreckt
sich diese dotierte Schicht 71' ursprünglich auch über Bereiche
der Kanalzone 5 unterhalb der Kontaktlöcher 62. Allerdings
werden diese Bereiche für
die Herstellung der Source-Zone 2 anschließend stark
mit Ladungsträgern
des ersten Ladungstyps dotiert, so dass die aus dieser Schicht 71' resultierende
Dotierung der Kanalzone im Weiteren nicht mehr ins Gewicht fällt, so
dass der daraus resultierende Kanal 71 des ersten Leitungstyps
in 16b ausschließlich
zwischen der Anschlusszone 2 und der Driftzone 3 in
der Kanalzone 5 dargestellt ist.
-
16c zeigt den Querschnitt durch das Halbleiterbauelement
im Bereich des ursprünglichen Grabens 66,
der nun mit dem Isolationsmaterial 67 aufgefüllt ist.
Unterhalb dieses Isolationsmaterials 67 befindet sich die
Kanalzone des zweiten Leitungstyps, so dass mangels Steuerelektrode
in diesem Bereich unabhängig
von der an der Steuerelektrode angelegten Spannung kein leitender
Kanal zwischen der Source-Zone und der Driftzone 3 ausgebildet
werden kann.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement
ist der Kanal 71 des ersten Leitungstyps in der Kanalzone 5 Teil
eines selbstleitenden FET, während
die übrigen
Bereiche 5 der Kanalzone, nämlich die Kanäle 51 Teil
eines selbstsperrenden FET sind. Der Strom des Halbleiterbauelements
bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Anschlusszone 2 bzw.
der ersten Anschlusselektrode 22 und der zweiten Anschlusszone 31 ist über die
Anzahl der selbstleitenden Kanäle 71 in
der Kanalzone 5 einstellbar. 17 zeigt
eine der 11a entsprechende Darstellung
für mehrere
Ausführungsbeispiele
bei welchen mehr als ein Kanal ausgehend von dem sechseckförmigen Kontaktloch 62 vorgesehen
ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
besteht auch die Möglichkeit,
zellenweise zu variieren, d.h. in einer der Kanalzonen 5 einen
oder mehrere solcher selbstleitenden Kanäle zu implementieren, während in
anderen Kanalzonen keine solchen selbstleitenden Kanäle implementiert
werden.
-
18 zeigt
ein mögliches
Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,
bei welchem ein selbstsperrender FET und ein selbstleitender FET
in einem Halbleiterkörper
integriert sind. Dieses Anwendungsbeispiel betrifft ein Schaltnetzteil
mit Eingangsklemmen K1, K2 zum Anlegen einer Eingangsspannung Uin
und Ausgangsklemmen K3, K4 zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung
Uout. Das Schaltnetzteil umfasst einen Transformator TR mit einer
Primärspule
L1 und einer Sekundärspule
L2, wobei die Primärspule
L1 in Reihe zu einem Leistungstransistor geschaltet ist und diese
Reihen schaltung an die Eingangsspannung Uin angeschlossen ist. An
die Sekundärspule
L2 ist eine Gleichrichteranordnung mit einer Diode D2 und einem
Kondensator C2 angeschlossen, wobei die Ausgangsspannung Uout über dem
Kondensator C2 abgreifbar ist. Der Leistungstransistor T1 wird getaktet
mittels einer Ansteuerschaltung AS angesteuert, wobei das Taktverhältnis, mit
welchem der Transistor T1 leitend und sperrend angesteuert wird,
die Leistungsaufnahme des Schaltnetzteils und damit die Ausgangsspannung
bestimmt. Der Ansteuerschaltung AS wird eine Information über die
Ausgangsspannung Uout zugeführt,
wie in 18 gestrichelt dargestellt ist,
um das Taktverhältnis
so einzustellen, dass die Ausgangsspannung lastunabhängig wenigstens
annäherungsweise
konstant ist.
-
Die
Ansteuerschaltung AS weist Versorgungsanschlüsse V1, V2 auf, wobei ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement,
welches in 18 im Ersatzschaltbild als Parallelschaltung
eines selbstleitenden FET T21 und eines selbstsperrenden FET T22
dargestellt ist, zwischen die Primärspule L1 und den Versorgungsanschluss
V1 der Ansteuerschaltung AS geschaltet ist. Zwischen diese Versorgungsklemme
V1, V2 ist ein Versorgungskondensator C1 geschaltet. Bei Anlegen
einer Eingangsspannung Uin, wenn dieser Versorgungskondensator C1 noch
nicht geladen ist und die Ansteuerschaltung AS den Leistungstransistor
T1-noch nicht ansteuern kann,
wird dieser Versorgungskondensator über den selbstleitenden Transistor
T21 aufgeladen, bis die Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung
AS zur Ansteuerung des Leistungstransistors T1 ausreicht. Die Ansteuerschaltung
AS steuert weiterhin das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement T21, T22
an, um das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
beispielsweise kurz vor oder kurz nach dem Einschalten des Leistungstransistors
T1 voll auf zusteuern und dadurch den Versorgungskondensator C1
immer wieder aufzuladen.
-
Das
Halbleiterbauelement mit dem selbstsperrenden Transistor T22 und
dem selbstleitenden Transistor T21 zur Spannungsversorgung der Ansteuerschaltung
AS sowie der Lasttransistor T1 sind vorzugsweise in einem gemeinsamen
Chip oder auf getrennten Chips in einem gemeinsamen Gehäuse integriert.
-
- 2
- erste
Anschlusszone
- 3
- Driftzone
- 6
- Steuerelektrode
- 5A,
5B, 5C, 5
- Kanalzone
- 22
- erste
Anschlusselektrode
- 8A,
8B, 8C
- Kompensationszone
- 31
- zweite
Anschlusszone
- 51
- Kanal
des zweiten Leitungstyps
- 61
- Isolationsschicht
- 62
- Kontaktlöcher
- 66
- Aussparung
der Elektrodenschicht
- 67
- Isolationsschicht
- 71
- Kanal
des ersten Leitungstyps
- 72
- Kanal
des ersten Leitungstyps
- 91
- Kanal
des ersten Leitungstyps
- 92
- Kanal
des ersten Leitungstyps
- 100
- Halbleiterkörper
- 101
- Vorderseite
des Halbleiterkörpers
- 52A,
52C
- Verbreiterungen
der Kanalzonen
- 53A,
53C
- Verbreiterungen
der Kanalzonen
- 54A,
54C
- Verbreiterungen
der Kanalzonen
- 81a,
81c
- Verbreiterungen
der Kompensationszonen
- AS
- Ansteuerschaltung
- C1
- Kondensator
- C2
- Kondensator
- D
- Drain-Anschluss
- D2
- Diode
- G
- Gate-Anschluss
- K1,
K2
- Eingangsklemmen
- K3,
K4
- Ausgangsklemmen
- L1
- Primärspule
- L2
- Sekundärspule
- S
- Source-Anschluss
- T1
- Leistungstransistor
- T21,
T22
- Ersatzschaltbild
des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
- TR
- Transformator
- Uds
- Drain-Source-Strom
- Ugs
- Gate-Source-Spannung
- Uin
- Eingangsspannung
- Uout
- Ausgangsspannung
- V1,
V2
- Versorgungsanschlüsse