DE102005061294B4 - NPT semiconductor device in the form of a MOSFET or IGBT - Google Patents

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Abstract

NPT-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder eines IGBTs mit
– einer Driftzone (9) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;
– einer auf der einen Seite der Driftzone (9) ausgebildeten und an die Driftzone (9) angrenzenden weiteren Halbleiterzone (3, 11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegen gesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die weitere Halbleiterzone (3, 11) eine höhere maximale Dotierstoffkonzentration als die Driftzone (9) aufweist und an eine Kontaktebene angeschlossen ist;
– einer auf der anderen, zur einen Seite gegenüberliegenden Seite der Driftzone (9) ausgebildeten Rückseitenzone (10);
– einem bei Anliegen einer statischen Druchbruchspannung des NPT-Halbleiterbauelements zwischen Kontaktebene und Rückseitenzone (10) verbleibenden neutralen Driftzonengebiet (14), das zwischen einem innerhalb der Driftzone (9) ausgebildeten Teil einer Raumladungszone (RLZ) und der Rückseitenzone (10) angeordnet ist, wobei:
– innerhalb des neutralen Driftzonengebiets (14) eine Kompensationszone (15) eingebettet ist, die vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Driftzone (9) ist und eine im Vergleich...NPT semiconductor device in the form of a MOSFET or an IGBT with
A drift zone (9) of a first conductivity type;
A further semiconductor zone (3, 11) formed on one side of the drift zone (9) and adjacent to the drift zone (9) of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, wherein the further semiconductor zone (3, 11) has a higher maximum dopant concentration as the drift zone (9) and is connected to a contact plane;
- One on the other, on one side opposite side of the drift zone (9) formed backside zone (10);
A neutral drift zone region (14) remaining when a static breakdown voltage of the NPT semiconductor component between contact plane and backside zone (10) is present, which is arranged between a part of a space charge zone (RLZ) and the backside zone (10) formed within the drift zone (9), in which:
- Within the neutral drift zone region (14) a compensation zone (15) is embedded, which is of the same conductivity type as the drift zone (9) and a comparison ...

Figure 00000001
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Description

Die Erfindung betrifft ein NPT-(Non-Punch-Through)-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder eines IGBTs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an NPT (non-punch-through) semiconductor device in the form of a MOSFET or an IGBT according to the preamble of claim 1

Die Entwicklung von Leistungshalbleiterbauelementen zielt auf die Reduzierung elektrischer Verluste etwa durch Verkürzung des Tail-Stroms beim Abschalten des Durchlassstroms oder auf die Minimierung der Durchlass-Spannung sowie die Erhöhung der Robustheit des Halbleiterbauelements ab.The Development of power semiconductor devices aims at the reduction electrical losses such as shortening the tail current when switching off the forward current or to minimize the forward voltage as well as the increase the robustness of the semiconductor device from.

Kommerziell erhältliche Bauelemente beruhen derzeit im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Bauelementkonzepten. Diese sind als PT(Punch-Through)- und NPT-Halbleiterbauelemente bekannt und unterscheiden sich unter anderem in der Ausdehnung einer Raumladungszone innerhalb einer Driftzone bei Sperrbetrieb sowie der Effizienz einer Rückseitenemitterzone.Commercially available Components are currently based essentially on two different Component concepts. These are known as PT (punch-through) and NPT semiconductor devices known and differ, inter alia, in the extent of a Space charge zone within a drift zone in reverse operation as well the efficiency of a backside emitter zone.

Ein PT-IGBT (Punch Through-Insulated Gate Bipolar Transistor) weist im Betrieb bei anliegender maximaler Sperrspannung eine sich über eine gesamte Dicke einer Driftzone erstreckende Raumladungszone aus. Ein elektrisches Feld verläuft ausgehend von einer Bodyzone trapezförmig und fällt erst in einem an die Driftzone angrenzenden hoch dotierten Puffergebiet, das vom selben Leitungstyp wie die Driftzone ist, auf Null ab. Die Driftzone ist damit vollständig an freien Ladungsträgern verarmt. Aufgrund dieses Feldverlaufs kann die Driftzone dünn gehalten werden, was zu einem geringen ohmschen Spannungsabfall im Durchlassbetrieb und damit zu geringen Durchlass-Spannungen führt. Da das PT-Halbleiterbauelement im Allgemeinen eine hohe Effizienz der Rückseitenemitterzone aufweist, liegen im eingeschalteten Zustand hohe Konzentrationen von Elektronen und Löchern vor, die beim Ausschalten jedoch einen großen und lange andauernden Tail-Strom mit sich bringen. Um die Rekombinationsphase dieser Überschussladungsträger zu beschleunigen bzw. eine geringere Elektronen- und Löcherüberschusskonzentration vor dem Ausschalten sicherzustellen, werden beispielsweise gezielt Rekombinationszentren eingebracht, was jedoch andererseits wieder den Nachteil höherer Durchlassverluste mit sich bringt.One PT-IGBT (Punch Through-Insulated Gate Bipolar Transistor) in operation with applied maximum reverse voltage across a Whole thickness of a drift zone extending space charge zone. An electric field runs starting from a bodyzone trapezoidal and falls only in one to the drift zone adjacent highly doped buffer area, of the same conductivity type as the drift zone is, down to zero. The drift zone is thus completely on free load carriers impoverished. Due to this field profile, the drift zone can be kept thin, resulting in a low ohmic voltage drop in the forward operation and thus too low forward voltages leads. Since the PT semiconductor device is generally high in efficiency Backside emitter region has high concentrations when switched on of electrons and holes before turning off, however, a large and long-lasting tail current entail. To accelerate the recombination phase of these excess charge carriers or a lower electron and hole excess concentration To ensure switching off, for example, targeted recombination on the other hand, however, again the disadvantage of higher forward losses brings with it.

Im Gegensatz zum PT-Konzept weist ein NPT-Halbleiterbauelement im Allgemeinen eine Rückseitenemitterzone mit vergleichsweise schwacher Effizienz auf. Infolgedessen wird die Driftzone im eingeschalteten Zustand weniger stark mit Überschussladungsträgern überschwemmt, so dass die Ausschaltverluste reduziert werden können. Der Verlauf des elektrischen Feldes im NPT-Halbleiterbauelement unterscheidet sich jedoch wesentlich von demjenigen eines PT-Halbleiterbauelements. Im NPT-Halbleiterbauelement verläuft das elektrische Feld bei maximalem Sperrbetrieb dreieckförmig, so dass das elektrische Feld der Raumladungszone innerhalb der Driftzone auf null abfällt und ein neutrales Driftzonengebiet zwischen dem Ende der Raumladungszone und der Rückseitenemitterzone innerhalb der Driftzone verbleibt. Aufgrund des vollständigen Feldabbaus innerhalb der Driftzone weisen NPT-Halbleiterbauelemente Driftzonen mit einer größeren Dicke im Vergleich zu PT-Halbleiterbauelementen auf. Dies bringt den Nachteil von höheren Durchlassverlusten mit sich.in the Unlike the PT concept, an NPT semiconductor device in general a backside emitter zone with comparatively weak efficiency. As a result, will the drift zone in the switched-on state is less heavily flooded with excess charge carriers, so that the turn-off losses can be reduced. The course of the electric Field in the NPT semiconductor device, however, differs significantly from that of a PT semiconductor device. In the NPT semiconductor device extends the electric field at maximum blocking operation triangular, so that the electric field of the space charge zone within the drift zone drops to zero and a neutral drift zone region between the end of the space charge zone and the backside emitter zone remains within the drift zone. Due to the complete field degradation within the drift zone, NPT semiconductor devices have drift zones with a larger thickness compared to PT semiconductor devices on. This has the disadvantage of higher transmission losses yourself.

Ein wesentliches Qualitätsmerkmal eines NPT-Leistungshalbleiterbauelements stellt dessen dynamische Robustheit dar. Hierbei sollen etwa das Überstromabschaltvermögen und die Kurzschlussfestigkeit von NPT-IGBTs oder auch die Abschaltrobustheit von NPT-Dioden verbessert werden. Insbesondere bietet das NPT-Konzept im Vergleich zu Feldstop-Konzepten Vorteile beim sanften Abschalten, d. h. bei Kommutierung reißt der Strom in Rückwärtsrichtung nicht scharf ab, sondern die ser läuft sanft aus und vermeidet dadurch induzierte Spannungsspitzen und Oszillationen. Ein derartiges Verhalten ist einerseits insbesondere bei hohen Nennströmen bzw. hohen Streuinduktivitäten bezogen auf den abzuschaltenden Strom wünschenswert. Andererseits bringt dieser Vorteil jedoch höhere Schaltverluste mit sich.One essential quality feature of an NPT power semiconductor device provides its dynamic Robustness dar. Here are about the Überstromabschaltvermögen and the short circuit strength of NPT IGBTs or the shutdown robustness be improved by NPT diodes. In particular, the NPT concept offers advantages over soft shutdown compared to fieldstop concepts d. H. when commutating rips the current in the reverse direction not sharp, but the water runs smoothly and avoids thereby induced voltage spikes and oscillations. Such a thing Behavior is on the one hand especially at high nominal currents or high stray inductances desirable based on the current to be disconnected. On the other hand brings this advantage, however, higher Switching losses with it.

Zur Verbesserung der dynamischen Robustheit von NPT-Halbleiterbauelementen wie beispielsweise IGBTs oder Dioden werden in bekannter Weise abzuschaltende Stromdichten bzw. Steilheiten beim Abschalten oder Abkommutieren des Halbleiterbauelements begrenzt, was einerseits das Betriebsfenster des Leistungsschalters einschränkt und andererseits zur Erhöhung der Schaltverluste beiträgt. Zudem weisen insbesondere Hochvolt-NPT-IGBTs Nachteile hinsichtlich ihrer Leckströme, insbesondere von Warm-Leckströmen auf, welche erheblich von Schwankungen der Dotierstoffkonzentration des Grundmaterials sowie dessen Dicke abhängen. Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken und die Sperrströme auf einem tolerierbaren Maß zu halten, muss die Dicke der NPT-Halbleiterbauelemente überdimensioniert werden, was wiederum zu erhöhten Durchlass- sowie Schaltverlusten führt.to Improving the dynamic robustness of NPT semiconductor devices such as IGBTs or diodes are turned off in a known manner Current densities or slopes when switching off or commutating of the semiconductor device limited, which on the one hand the operating window of the Limits circuit breaker and on the other hand, to increase the switching losses contributes. In addition, in particular high-voltage NPT IGBTs have disadvantages in terms of their Leakage currents, in particular of warm leakage currents which is significantly affected by variations in dopant concentration depend on the base material and its thickness. To these disadvantages counteract and the leakage currents on a tolerable Measure too hold, the thickness of the NPT semiconductor devices must be oversized which in turn leads to increased transmission and switching losses leads.

Im Einzelnen ist ein gattungsgemäßes NPT-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art aus der US 6 384 431 B1 bekannt. Weiterhin ist aus der DE 43 26 052 A1 ein IGBT bekannt, bei dem eine n+-leitende Pufferschicht bei Anliegen der statischen Durchbruchspannung sich auch außerhalb des zentralen Driftzonengebiets erstreckt. Die statische Durchbruchspannung ist dabei höher als ca. 600 V.In detail, a generic NPT semiconductor device of the type mentioned in the US Pat. No. 6,384,431 B1 known. Furthermore, from the DE 43 26 052 A1 an IGBT is known in which an n + -type buffer layer also extends outside the central drift zone area when the static breakdown voltage is applied. The static breakdown voltage is higher than about 600 V.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herstellbares NPT-Halbleiterbauelement mit verbesserter dynamischer Robustheit anzugeben.Of the Invention is based on the object, a simple producible NPT semiconductor device with improved dynamic ruggedness specify.

Die Aufgabe wird bei einem NPT-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Driftzone eine räumlich konstante Dotierstoffkonzentration hat, Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 definiert.The Task is in a NPT semiconductor device of the aforementioned Type according to the invention thereby solved, that the drift zone is a spatial has constant dopant concentration, Preferred developments of the invention are defined in claims 2 to 13.

Die Kompensationszone dient dazu, beim Abschalten des NPT-Halbleiterbauelements in diesem Bereich fließende Ladungsträger vom ersten Leitfähigkeitstyp, insbesondere deren Ladung, wenigstens teilweise zu kompensieren. Damit lassen sich stark erhöhte Konzentrationen von Ladungsträgern vom ersten Leitfähigkeitstyp zumindest teilweise durch eine zur Rückseitenemitterzone (bzw. Rückseitenzone) angehobene Dotierstoffkonzentration kompensieren, wodurch vom NPT-Halbleiterbauelementtyp abhängige unerwünschte Auswirkungen wie reduzierte Sperrfähigkeit des NPT-Bauelements aufgrund eines Felddurchgriffs zur Rückseitenemitterzone und damit erhöhte Injektion von der Rückseite aus (dies gilt insbesondere für einen IGBT) oder verstärkte Neigung zu Stromfilamentierungen aufgrund von durch Feldspitzen am Übergang von der Driftzone zur Rückseitenemitterzone hervorgerufenen zusätzlichen Avalanche-Strömen entgegengewirkt wird (dies gilt insbesondere für eine Diode, auf die sich die vorliegende Erfindung aber nicht bezieht).The Compensation zone is used when switching off the NPT semiconductor device flowing in this area charge carrier of the first conductivity type, in particular their charge, at least partially compensate. This can be greatly increased Concentrations of charge carriers of the first conductivity type at least partially by a back emitter zone (or backside zone) compensate for increased dopant concentration, thereby reducing the NPT semiconductor device type dependent undesirable Effects such as reduced blocking capability of the NPT device due to a field penetration to the rear side emitter zone and increased it Injection from the back (this applies in particular to an IGBT) or amplified Tendency to current filamentations due to field peaks at the transition from the drift zone to the backside emitter zone caused additional Avalanche currents is counteracted (this is especially true for a diode to which but does not refer to the present invention).

Die Raumladungszone bildet sich bei Anliegen der maximalen Sperrspannung innerhalb der weiteren Halbleiterzone und dem vom neutralen Driftzonengebiet verschiedenen Teil der Driftzone aus. Innerhalb des neutralen Driftzonengebietes ist das elektrische Feld bei Anliegen der maximalen Sperrspannung zumindest annähernd null. In der neutralen Zone verursachen lediglich Ladungsträger, die z. B. durch Generation in den Hochfeldzonen entstehen, einen Bahnspannungsabfall und somit ein elektrisches Feld. Die maximale Sperrspannung kennzeichnet hier eine statische Durchbruchspannung.The Space charge zone forms when concerns the maximum reverse voltage within the further semiconductor zone and from the neutral drift zone area different part of the drift zone. Within the neutral drift zone area is the electric field at concern of the maximum reverse voltage at least approximately zero. In the neutral zone only charge carriers cause z. B. caused by generation in the high-field zones, a web voltage drop and thus an electric field. The maximum reverse voltage indicates here a static breakdown voltage.

Die Driftzone kann beispielsweise als epitaktisch aufgebrachte Schicht realisiert sein. Bei der Rückseitenemitterzone kann es sich beispielsweise um ein vorzugsweise hochdotiertes Halbleitersubstrat wie einen Halbleiterwafer, d. h. eine Halbleiterscheibe handeln. Die weitere Halbleiterzone kann beispielsweise durch Implantation von Dotierstoffelementen als Wannenzone innerhalb der vorhergehend erzeugten Driftzone hergestellt werden. Ebenso ist es denkbar, die weitere Halbleiterzone aus einem auf eine Oberfläche der Driftzone aufgebrachten dotierten Glas, etwa einem Borsilikatglas zur Erzielung einer Leitfähigkeit vom p-Typ oder einem Phosphorsilikatglas zur Erzielung einer Leitfähigkeit vom n-Typ, durch Diffusion der Dotierstoffe aus dem Silikatglas in die Driftzone mit einem Temperaturschritt auszubilden.The Drift zone can be used, for example, as an epitaxially applied layer be realized. At the backside emitter zone For example, it may be a preferably highly doped semiconductor substrate like a semiconductor wafer, i. H. act a semiconductor wafer. The further semiconductor zone can, for example, by implantation of dopant elements as the well zone within the previously generated one Driftzone are produced. It is also conceivable, the other Semiconductor zone of a deposited on a surface of the drift zone doped glass, such as a borosilicate glass to achieve conductivity p-type or phosphosilicate glass for conductivity of the n-type, by diffusion of the dopants from the silicate glass in the drift zone with a temperature step form.

Zur Erzeugung der Kompensationszone ist es beispielsweise möglich, die Dotierstoffe der Kompensationszone zunächst vor Erzeugen der Driftzone in das beispielsweise als Rückseitenemitterzone dienende Halbleitersubstrat zu implantieren. Eine Diffusion dieser Dotierstoffe in die Driftzone und damit das Ausbilden der Kompensationszone kann beispielsweise thermisch bedingt beim Aufwachsen der Driftzone oder auch durch einen oder mehrere weitere Temperaturschritte nach dem Erzeugen der Driftzone erfolgen. Alternativ besteht der Halbleiterwafer aus einem homogenen Substrat, in dessen vorderseitigem Bereich eine Zellstruktur oder ein Anodengebiet erzeugt worden sind. Das Substrat bildet die Driftzone und wird vor oder nach dem Einbringen der Dotierstoffe der Kompensationszone vorzugsweise durch Ionenimplantation und/oder Diffusion auf eine Zieldicke gedünnt. Der rückseitige Emitter wird hier ebenfalls vorzugsweise durch Ionenimplantation mit einer nachfolgenden Temperung hergestellt. Ebenso ist es denkbar, die Kompensationszone als einen ersten Teil der Driftzone auf das Halbleitersubstrat epitaktisch aufzutragen und daraufhin den weiteren Teil der Driftzone, in welchem sich beispiels weise die Raumladungszone bei Sperrbetrieb ausbildet und der schwach dotiert ist, als weitere Epitaxieschicht auf die Kompensationszone aufzubringen. Die Kompensationszone kann aber auch durch eine rückseitige Ionenimplantation in eine – bei Bedarf vorher gedünnte – Halbleiterscheibe in Verbindung mit einem Ausheilschritt bzw. Diffusionsschritt erzeugt werden.to Generation of the compensation zone, it is possible, for example, the Dopants of the compensation zone first before generating the drift zone in for example, as a backside emitter zone to implant serving semiconductor substrate. A diffusion of this Dopants in the drift zone and thus the formation of the compensation zone can, for example, thermally due to the growth of the drift zone or by one or more further temperature steps the generating of the drift zone. Alternatively, there is the semiconductor wafer from a homogeneous substrate, in the front-side area of a Cell structure or an anode region have been generated. The substrate forms the drift zone and is before or after the introduction of the dopants the compensation zone preferably by ion implantation and / or Diffusion thinned to a target thickness. The back Emitter is also preferably here by ion implantation produced with a subsequent tempering. It is also conceivable the compensation zone as a first part of the drift zone on the Epitaxially apply semiconductor substrate and then the other Part of the drift zone, in which example, the space charge zone forms in blocking mode and the weakly doped, as another Apply epitaxial layer on the compensation zone. The compensation zone but also by a backside ion implantation in one - at Needed previously thinned - semiconductor wafer generated in conjunction with an annealing step or diffusion step become.

Der erste Leitfähigkeitstyp kann als n-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp kann als p-Typ gewählt sein. Ebenso ist es jedoch denkbar, den ersten Leitfähigkeitstyp als p-Typ und den zweiten Leitfähigkeitstyp als n-Typ auszubilden.Of the first conductivity type can be called n-type and the second conductivity type can be called p-type chosen be. However, it is also conceivable that the first conductivity type as p-type and the second conductivity type to train as an n-type.

Die Kompensationszone kann aber auch durch die n-dotierende Wirkung einer oder mehrerer (d. h. insbesondere bei mehreren Implantationsenergien durchgeführter) Wasserstoff-Implantationen in Verbindung mit einer Temperaturbehandlung, die im Temperaturbereich zwischen 250°C und 550°C über einige 10 Minuten bis mehrere Stunden durchgeführt wird, erzeugt werden.The Compensation zone can also by the n-doping effect one or more (i.e., especially with multiple implantation energies carried out) Hydrogen implantations in conjunction with a temperature treatment in the temperature range between 250 ° C and 550 ° C over some 10 minutes to several hours is carried out.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationszone als Dotierstoff Phosphor und/oder Selen auf. In diesem Falle ist sowohl die Drift- als auch die Kompensationszone als n-Typ ausgebildet.at a preferred embodiment the compensation zone as dopant phosphorus and / or selenium on. In this case, both the drift and the compensation zone designed as n-type.

In vorteilhafter Weise weist die Kompensationszone eine Dicke im Bereich von 1% bis 25% der Dicke der Driftzone auf. Da die Dicke der Driftzone ein Maß für die Sperrfestigkeit des NPT-Halbleiterbauelements darstellt, bietet eine Abstimmung der Dicke der Kompensationszone in Relation zur Dicke der Driftzone die Möglichkeit, die teilweise Kompensation erhöhter Ladungsträgerdichten zur Rückseitenemitterzone hin optimal auf die Sperrfestigkeit des NPT-Halbleiterbauelements abzustimmen. Somit lässt sich das sich zum Rückseitenemitter hin beim Abschalten ausbildende elektrische Feld kontrollie ren. Allgemein führt eine Vergrößerung der Dicke der Kompensationszone zu einer verstärkten Abschwächung des elektrischen Feldes zur Rückseitenemitterzone hin bzw. im Bereich der Rückseitenemitterzone.Advantageously, the Kompensati Onszone a thickness in the range of 1% to 25% of the thickness of the drift zone on. Since the thickness of the drift zone provides a measure of the blocking resistance of the NPT semiconductor device, tuning the thickness of the compensation zone relative to the thickness of the drift zone offers the opportunity to optimally tailor the partial compensation of increased carrier densities to the backside emitter zone for the blocking resistance of the NPT semiconductor device. Thus, the electrical field forming at the back emitter can be controlled when switched off. In general, an increase in the thickness of the compensation zone leads to an increased attenuation of the electric field toward the rear side emitter zone or in the region of the rear side emitter zone.

Bevorzugt nimmt die Dicke der Kompensationszone Werte im Bereich von 3 μm bis 20 μm an. Innerhalb dieses Wertebereichs lässt sich eine erhöhte Ladungsträgerkonzentration zur Rückseitenemitterzone hin in Hochvolt-NPT-Halbleiterbauelementen auf vorteilhafte Weise kompensieren, um einem Felddurchgriff zur Rückseitenemitterzone hin bzw. einer Feldspitze am Übergang von der Driftzone zur Emitterzone entgegenzuwirken.Prefers the thickness of the compensation zone assumes values in the range of 3 μm to 20 μm. Within this range of values leaves there is an increased charge carrier concentration to the backside emitter zone towards high-voltage NPT semiconductor devices in an advantageous manner compensate for a field penetration to the rear side emitter zone or a field peak at the transition to counteract from the drift zone to the emitter zone.

In vorteilhafter Weise lässt die Kompensationszone die statische Durchbruchsspannung des NPT-Halbleiterbauelements konstant. Bei statischem Durchbruch wird die Driftzone von der weiteren Halbleiterzone aus in Richtung zur Kompensationszone von freien Ladungsträgern ausgeräumt, wodurch sich eine Raumladungszone ausbildet. Bei Einsatz des elektrischen Durchbruchs hat sich die Raumladungszone jedoch noch nicht bis zur Kompensationszone ausgedehnt, so dass die Dotierstoffkonzentration innerhalb der Kompensationszone keinen Einfluss auf den Feldverlauf im statischen Durchbruch und damit auch keinen Einfluss auf die statische Durchbruchspannung selbst nimmt.In advantageous way the compensation zone is the static breakdown voltage of the NPT semiconductor device constant. At static breakthrough, the drift zone of the other Semiconductor zone out towards the compensation zone of free carriers dispelled, whereby a space charge zone is formed. When using the electric Breakthrough, the space charge zone, however, has not yet Compensating zone extended, so that the dopant concentration within the compensation zone no influence on the field course in the static breakthrough and thus no effect on the static breakdown voltage itself decreases.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das NPT-Halbleiterbauelement ein MOSFET, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone darstellt. Im Fall einer NPT-Diode, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dient die Kompensationszone insbesondere zur Abschwächung oder Unterdrückung von elektrischen Feldspitzen am Übergang zwischen Driftzone und Rückseitenemitterzone. Dadurch lässt sich ein zusätzlicher Avalanchestrom in diesem Bereich vermeiden. Dies führt zur Verbesserung der dynamischen Robustheit der NPT-Diode, da ein so genannter dynamischer Avalanche der dritten Art, bei welchem Avalanchegeneration nicht nur am Übergang zwischen Vorderseitenemitterzone und Driftzone, sondern auch am gegenüberliegenden Übergang der Driftzone zur Rückseitenemitterzone auftritt und der eine Zerstörung des Bauelements mit sich bringt, unterdrückt oder reduziert werden kann. Das Bereitstellen der Kompensationszone wirkt ebenso der Ausbildung von Stromfilamentierungen entgegen, welche sich bei der NPT-Diode durch das sich an der Rückseitenemitterzone aufbauende elektrische Feld insbesondere im Wechselspiel mit Feldmaxima im Bereich der Vorderseitenemitterzone verstärkt ausbilden.In a preferred embodiment For example, the NPT semiconductor device is a MOSFET, with the further semiconductor zone represents a bodyzone. In the case of a NPT diode that is not subject According to the present invention, the compensation zone serves in particular to the weakening or suppression of electric field peaks at the transition between Drift zone and backside emitter zone. By doing so leaves an additional one Avoid avalanche flow in this area. This leads to Improving the dynamic ruggedness of the NPT diode, as such called dynamic avalanche of the third kind, in which avalanche generation not only at the transition between front side emitter zone and drift zone, but also on the opposite transition the drift zone to the backside emitter zone occurs and the one destruction brings the device with it, can be suppressed or reduced. The Providing the compensation zone also affects the training of current filaments, which in the NPT diode through that at the backside emitter zone constructive electric field, especially in interplay with field maxima In the area of the front-side emitter zone, reinforced form.

Die Rückseitenemitterzone vom ersten Leitfähigkeitstyp stimmt dann mit dem Leitfähigkeitstyp der Drift- bzw. Kompensationszone überein. Das NPT-Halbleiterbauelement ist demnach beispielsweise als NPT-Diode, etwa als p+/n–/n/n+-Diode ausgebildet, wobei n repräsentativ für die Kompensationszone ist und n– einen schwach dotierten Bereich der Driftzone darstellt.The backside emitter zone of the first conductivity type then coincides with the conductivity type of the drift or compensation zone. Accordingly, the NPT semiconductor device is designed, for example, as an NPT diode, for example as a p + / n - / n / n + diode, where n is representative of the compensation zone and n - represents a lightly doped region of the drift zone.

Im Falle einer NPT-Diode ist die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone insbesondere kleiner als einige 1016 cm–3, besonders bevorzugt kleiner als 1015 cm–3. Mit einer derartigen maximalen Dotierstoffkonzentration lässt sich im Falle einer p+/n–/n/n+-Diode die Ladung einer stark erhöhten Elektronenkonzentration zur Rückseitenemitterzone hin durch die im Vergleich zum schwach dotierten Bereich der Driftzone angehobene Dotierstoffkonzentration der Kompensationszone zumindest teilweise kompensieren. Ebenso wird berücksichtigt, dass die Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone nicht zu hoch gewählt werden darf, da ansonsten dynamisch ein Maximum des elektrischen Feldes nicht mehr am Übergang zwischen Kompensationszone und Rückseitenemitterzone, d. h. am n/n+-Übergang auftritt, sondern bereits an einem hierzu vorgelagerten n–/n-Übergang innerhalb der Driftzone, wodurch die Kompensationszone ihre Wirkung als das elektri sche Feld unterdrückende Zone nicht mehr voll entfalten kann, insbesondere wenn der Gradient des elektrischen Feldes in der Kompensationszone zu hoch ist. Die Dotierstoffkonzentration kann in der Kompensationszone näherungsweise konstant sein, sollte aber vorzugsweise einen gewissen Gradienten aufweisen, um über einen breiten Bereich von Stromdichten wirksam zu sein.In the case of an NPT diode, the maximum dopant concentration in the compensation zone is in particular less than a few 10 16 cm -3 , particularly preferably less than 10 15 cm -3 . With such a maximum dopant concentration, in the case of a p + / n - / n / n + diode, the charge of a greatly increased electron concentration towards the backside emitter zone can be at least partially compensated by the dopant concentration of the compensation zone that is raised in comparison to the weakly doped region of the drift zone. It is also taken into account that the dopant concentration in the compensation zone may not be selected too high, since otherwise a maximum of the electric field no longer occurs at the transition between the compensation zone and the backside emitter zone, ie at the n / n + transition, but already at an upstream location n - / n transition within the drift zone, whereby the compensation zone can no longer fully develop its effect as the electric field suppressing zone, especially when the gradient of the electric field in the compensation zone is too high. The dopant concentration may be approximately constant in the compensation zone, but should preferably have a certain gradient to be effective over a wide range of current densities.

Bei einer Ausführungsform ist das NPT-Halbleiterbauelement ein IGBT, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone ausbildet und die Rückseitenemitterzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist. Die Kompensationszone in einem NPT-IGBT ermöglicht neben der teilweisen Kompensation der Ladung von Überschussladungsträgern vom ersten Leitfähigkeitstyp vor der Rückseitenemitterzone ebenso eine Verbesserung hinsichtlich des Warm-Sperrstroms, der insbesondere bei Hochvolt-NPT-IGBTs vergleichsweise hohe Werte annehmen kann, als auch eine Verbesserung eines Prozessfensters hinsichtlich sowohl einer Grundmaterial-Dotierung des beispielsweise als hochdotierte Siliziumscheibe ausgebildeten Rückseitenemitters als auch der Dicke der beispielsweise epitaktisch hergestellten oder durch das Substratmaterial gebildeten Driftzone.In one embodiment, the NPT semiconductor device is an IGBT, wherein the further semiconductor zone forms a body zone and the backside emitter zone is of the second conductivity type. The compensation zone in an NPT-IGBT, in addition to the partial compensation of the charge of first conductivity-type excess carriers in front of the backside emitter zone, also provides an improvement in warm leakage current, which can be comparatively high particularly in high-voltage NPT IGBTs, as well as an improvement Process window with respect to both a base material doping of the formed, for example, as highly doped silicon wafer backside emitter and the thickness of the For example, epitaxially produced or formed by the substrate material drift zone.

Die Verbesserung dieses Prozessfensters durch die Kompensationszone lässt sich bei Betrachtung eines NPT-IGBTs verstehen, bei dem das Grundmaterial und damit die Rückseitenemitterzone an einer oberen Grenze einer Spezifikation der Dotierstoffkonzentration und die Dicke der Epitaxieschicht bzw. die resultierende Substratdicke und damit die Driftzone an einer unteren Grenze der Spezifikation dieser Dicke liegen. In diesem Fall nähert sich das elektrische Feld sehr nahe der Rückseitenemitterzone. Ein im Falle einer Driftzone vom n-Leitfähigkeitstyp im Sperrbetrieb generierter Elektronenstrom führt aufgrund des kleineren neutralen Driftzonengebiets zu einer kleineren neutralen Basisweite bzw. eines kleineren Transportfaktors und damit zu einer stärkeren Löcherinjekti on, d. h. zu einem erhöhten Sperrstrom. Mit zunehmenden Temperaturen tritt dieser Effekt aufgrund der Zunahme der Trägerlebensdauer von freien Ladungsträgern und der intrinsischen Ladungsträgergeneration besonders in der Raumladungszone verstärkt in Erscheinung. Die Kompensationszone wirkt dieser Verringerung der neutralen Basisweite bzw. des Transportfaktors durch ihre im Vergleich zur Driftzone größere maximale Dotierstoffkonzentration entgegen.The Improvement of this process window by the compensation zone let yourself when considering a NPT IGBT, where the base material and with it the backside emitter zone an upper limit of a specification of the dopant concentration and the thickness of the epitaxial layer or the resulting substrate thickness and hence the drift zone at a lower limit of the specification this thickness lie. In this case, the electric field is approaching very close to the backside emitter zone. On in the case of a drift zone of the n-type conductivity in the blocking mode generated electron current leads due to the smaller neutral drift zone area to a smaller one neutral base distance or a smaller transport factor and thus to a stronger one Hole injection, d. H. to an increased Reverse current. As temperatures increase, this effect occurs the increase in carrier lifetime of free carriers and the intrinsic carrier generation especially in the space charge zone in appearance. The compensation zone This reduction of the neutral base width or the transport factor works through their greater maximum dopant concentration compared to the drift zone opposite.

Bei einem als IGBT ausgebildeten NPT-Halbleiterbauelement nimmt die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone vorzugsweise Werte im Bereich von 1015 cm–3 bis 1017 cm–3 an. Dadurch wird berücksichtigt, dass die maximale Dotierstoffkonzentration innerhalb der Kompensationszone nicht zu hoch wird, um eine Verschlechterung der Kurzschluss-Robustheit des IGBTs zu vermeiden, da ein weiterer Felddurchgriff zur dynamischen Aufrechterhaltung der Sperrfähigkeit des NPT-Halbleiterbauelements erforderlich ist.For an IGBT type NPT semiconductor device, the maximum dopant concentration in the compensation zone preferably assumes values in the range of 10 15 cm -3 to 10 17 cm -3 . This takes into account that the maximum dopant concentration within the compensation zone does not become too high to avoid degradation of the short-circuit ruggedness of the IGBT since further field penetration is required to dynamically maintain the blocking capability of the NPT semiconductor device.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen ersichtlich:Further Aspects and advantages of the invention will become apparent in the following description with reference to the accompanying figures:

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen planaren NPT-IGBTs; 1 shows a schematic cross-sectional view of a conventional planar NPT IGBTs;

2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen NPT-Diode; 2 shows a schematic cross-sectional view of a conventional NPT diode;

3 zeigt Verläufe eines elektrischen Feldes sowie ein Überschussladungsträgerprofil während des Abschaltvorgangs eines herkömmlichen NPT-Halbleiterbauelements; 3 FIG. 12 shows electric field waveforms and excess charge carrier profile during the turn-off operation of a conventional NPT semiconductor device; FIG.

4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines NPT-IGBTs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 4 shows a schematic cross-sectional view of an NPT IGBT according to an embodiment of the invention;

5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer NPT-Diode; und 5 shows a schematic cross-sectional view of a NPT diode; and

6 zeigt Verläufe des elektrischen Feldes sowie ein Überschussladungsträgerprofil während des Abschaltens eines erfindungsgemäßen NPT-Halbleiterbauelements. 6 shows courses of the electric field and an excess charge carrier profile during the switching off of an NPT semiconductor device according to the invention.

In 1A) ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsansicht eines herkömmlichen NPT-IGBTs mit planarem Zellenaufbau dargestellt. Alternativ kann der NPT-IGBT auch Trench-Gates (d. h. Graben-Gates) aufweisen. Im Folgenden werden die Bezeichnungen n–, n, n+ als auch p–, p, p+ zur Kennzeichnung einer schwachen, moderaten und hohen Dotierstoffkonzentration vom n- bzw. p-Leitfähigkeitsfähigkeitstyp verwendet. Die moderate Dotierstoffkonzentration kann etwa im Bereich einige 1016 cm–3 bis einige 1017 cm–3 liegen oder auch in einem nach oben und unten um etwa eine Größenordnung größeren Bereich. Die schwache Dotierstoffkonzentration liegt unterhalb des Bereichs der moderaten Dotierstoffkonzentration und die hohe Dotierstoffkonzentration entsprechend oberhalb des Bereichs der moderaten Dotierstoffkonzentration.In 1A ) is a partial cross-sectional schematic view of a conventional NPT IGBT having a planar cell structure. Alternatively, the NPT IGBT may also have trench gates (ie, trench gates). , N, n + and p - - The following are the designations n are p, p + to indicate a weak, moderate, and high dopant concentration of the n- or p-type conductivity ability used. The moderate dopant concentration may be approximately in the range of a few 10 16 cm -3 to a few 10 17 cm -3 or even in an up and down by about an order of magnitude larger area. The weak dopant concentration is below the range of the moderate dopant concentration and the high dopant concentration correspondingly above the range of the moderate dopant concentration.

Der herkömmliche NPT-IGBT weist eine an eine Oberfläche 1 eines Halbleiterkörpers 2 angrenzende Bodyzone 3 vom p-Leitfähigkeitstyp auf. Innerhalb der Bodyzone 3 sind hochdotierte Sourcezonen 4 vom n-Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Sowohl die Sourcezonen 4 als auch die Bodyzone 3 sind an eine metallische Kontakt- und Verdrahtungsebene 5 angeschlossen. Gateelektrodenstrukturen 6 zur Steuerung einer Kanalleitfähigkeit an der Oberfläche 1 sind vom Halbleiterkörper 2 und dem Bodygebiet 3 durch eine Gateisolationsstruktur 7 elekt risch isoliert. Eine weitere Isolationsstruktur 8 isoliert die Gateelektrodenstruktur 6 elektrisch gegenüber der metallischen Kontakt- und Verdrahtungsebene 5.The conventional NPT IGBT has one on a surface 1 a semiconductor body 2 adjoining bodyzone 3 of p conductivity type. Within the bodyzone 3 are highly doped source zones 4 formed of n-conductivity type. Both the source zones 4 as well as the bodyzone 3 are at a metallic contact and wiring level 5 connected. Gate electrode structures 6 for controlling a channel conductivity at the surface 1 are from the semiconductor body 2 and the body area 3 through a gate insulation structure 7 electrically isolated. Another isolation structure 8th isolates the gate electrode structure 6 electrically opposite the metallic contact and wiring plane 5 ,

Innerhalb des Halbleiterkörpers 2 grenzt die Bodyzone 3 an eine schwach dotierte Driftzone 9 vom n-Leitfähigkeitstyp an. Die Driftzone 9 grenzt nun ihrerseits an der zur Oberfläche 1 gegenüberliegenden Seite an eine Rückseitenemitterzone 10 vom p-Leitfähigkeitstyp an.Within the semiconductor body 2 borders the bodyzone 3 to a weakly doped drift zone 9 of the n-conductivity type. The drift zone 9 in turn borders on the surface 1 opposite side to a rear side emitter zone 10 of p conductivity type.

Der Verlauf des elektrischen Feldes E dieses herkömmlichen NPT-IGBTs bei Einsatz eines statischen Durchbruchs ist mit Bezug zur Querschnittsansicht rechts derselbigen skizziert. Aufgetragen ist das elektrische Feld E über einer Tiefe z des Bauelements. Eine Raumladungszone RLZ baut sich in der Bodyzone 3 und der Driftzone 9 auf. Ein Maximum der elektrischen Feldstärke E liegt am Übergang dieser beiden Gebiete. Das elektrische Feld E fällt nun einerseits innerhalb der Bodyzone 3 auf null ab, andererseits jedoch auch innerhalb der Driftzone 9. Die Raumladungszone dieses NPT-Halbleiterbauelements erstreckt sich demnach nicht vollständig durch die Driftzone 9 hindurch, weshalb dieses Bauelement definitionsgemäß als Non-Punch-Through-Bauelement bezeichnet wird.The course of the electric field E of this conventional NPT-IGBT when using a static breakdown is outlined with reference to the cross-sectional view on the right derselbigen. The electric field E is applied over a depth z of the component. A space charge zone RLZ builds up in the bodyzone 3 and the drift zone 9 on. A maximum of the electric field strength E lies at the junction of these two areas. The electric field E falls on the one hand within the body zone 3 to zero, but also within the drift zone 9 , The space charge zone of this NPT semiconductor device Accordingly, ment does not extend completely through the drift zone 9 which is why this device is by definition called a non-punch-through device.

Einen schematischen Überblick über das Profil einer Dotierstoffkonzentration N entlang einer Schnittlinie A-A' in der Querschnittsansicht des NPT-IGBTs in 1A) ist vereinfacht in 1B) dargestellt. Ausgehend vom Punkt A der Schnittlinie A-A' fällt die Dotierstoffkonzentration der Bodyzone 3 mit zunehmender Tiefe in den Halbleiterkörper 2 ab. Derartige nicht rechteckförmige, sondern kontinuierlich ansteigende oder abfallende Konzentrationsverläufe ergeben sich naturgemäß durch den Herstellungsprozess derartiger Halbleiterzonen, etwa bei thermisch bedingter Diffusion von Dotierstoffatomen. Die Bodyzone 3 geht mit zunehmender Tiefe z in die Driftzone 9 mit konstanter Dotierstoffkonzentration über. Die Driftzone 9 ist beispielsweise als schwach dotierte Epitaxieschicht oder als Halbleiter-Substratmaterial mit niedriger Dotierstoffkonzentration ausgebildet und dient dem NPT-Halbleiterbauelement zur Aufnahme von Sperrspannung. Die Driftzone ist demnach als schwach dotierter Bereich 13 ausgebildet. Mit weiter zunehmender Tiefe z grenzt die schwach dotierte Driftzone 9 an die Rückseitenemitterzone 10 an, die ein mit noch weiter zunehmender Tiefe z bis zu einer maximalen Dotierstoffkonzentration ansteigendes Dotierstoffprofil aufweist. Die Rückseitenemitterzone 10 kann beispielsweise als dotierte Halbleiterscheibe bereitgestellt werden, auf welche die Driftzone 9 epitaktisch abgeschieden wird oder durch Einbringen von Dotierstoffatomen beispielsweise mittels Ionenimplantation erzeugt wird. Das dargestellte Dotierstoffprofil der Rückseitenemitterzone 10 ergibt sich durch thermisch bedingte Diffusion von Dotierstoffen aus der Rückseitenemitterzone 10 in die Driftzone 9 hinein bzw. durch die Ionenimplantation und die nachfolgenden Temperaturschritte.A schematic overview of the profile of a dopant concentration N along a section line AA 'in the cross-sectional view of the NPT-IGBTs in 1A ) is simplified in 1B ). Starting from the point A of the section line AA 'falls the dopant concentration of the body zone 3 with increasing depth in the semiconductor body 2 from. Such non-rectangular, but continuously increasing or decreasing concentration courses naturally arise through the production process of such semiconductor zones, for example in the case of thermally induced diffusion of dopant atoms. The body zone 3 goes with increasing depth z in the drift zone 9 with constant dopant concentration over. The drift zone 9 is formed, for example, as a lightly doped epitaxial layer or as a semiconductor substrate material with a low dopant concentration and serves the NPT semiconductor component for receiving blocking voltage. The drift zone is accordingly a weakly doped region 13 educated. With further increasing depth z, the weakly doped drift zone is adjacent 9 to the backside emitter zone 10 which has a dopant profile which increases with still further increasing depth z up to a maximum dopant concentration. The backside emitter zone 10 For example, it may be provided as a doped semiconductor wafer onto which the drift zone 9 is epitaxially deposited or generated by introducing dopant atoms, for example by means of ion implantation. The illustrated dopant profile of the backside emitter zone 10 results from thermally induced diffusion of dopants from the backside emitter zone 10 in the drift zone 9 into or through the ion implantation and the subsequent temperature steps.

In 2A) ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsansicht einer herkömmlichen NPT-Diode gezeigt. An die Oberfläche 1 des Halbleiterkörpers 2 grenzt eine Vorderseitenemitterzone bzw. Anode 11 vom p-Leitfähigkeitstyp an. Die Vorderseitenemitterzone 11 ist mit der metallischen Kontakt- und Verdrahtungsebene 5 elektrisch verbunden. In die Tiefe des Halbleiterbauelements grenzt die Vorderseitenemitterzone 11 an die schwach dotierte Driftzone 9 an, die ihrerseits auf der der Oberfläche 1 gegenüberliegenden Seite an die Rückseitenemitterzone 10 vom n-Leitfähigkeitstyp angrenzt. Der Verlauf des elektrischen Feldes dieses NPT-Halbleiterbauelements bei Einsatz des statischen Durchbruchs ist rechts neben der Querschnittsansicht schematisch mit Bezug zum Profil der NPT-Diode dargestellt. Wie schon beim bekannten NPT-IGBT aus 1 wird die schwach dotierte Driftzone 9 nicht vollständig an freien Ladungsträgern verarmt, d. h. die Raumladungszone RLZ dehnt sich nicht vollständig durch die Driftzone 9 bis zur Rückseitenemitterzone 10 aus. Somit weist die NPT-Diode wie auch der in 1 dargestellte NPT-IGBT keine im Vergleich zur schwach dotierten Driftzone 9 hoch dotierte Feldstopzone auf, wie dies bei PT-Bauelementen üblich ist.In 2A ) is a portion of a schematic cross-sectional view of a conventional NPT diode shown. To the surface 1 of the semiconductor body 2 adjoins a front side emitter zone or anode 11 of p conductivity type. The front side emitter zone 11 is with the metallic contact and wiring plane 5 electrically connected. The front side emitter zone adjoins the depth of the semiconductor device 11 to the weakly doped drift zone 9 in turn, on the surface 1 opposite side to the rear side emitter zone 10 adjacent to the n-type conductivity. The course of the electric field of this NPT semiconductor device when using the static breakdown is shown to the right of the cross-sectional view schematically with respect to the profile of the NPT diode. Like the well-known NPT IGBT 1 becomes the weakly doped drift zone 9 not completely depleted of free charge carriers, ie the space charge zone RLZ does not extend completely through the drift zone 9 to the backside emitter zone 10 out. Thus, the NPT diode as well as the in 1 shown NPT IGBT no compared to the lightly doped drift zone 9 highly doped field stop zone, as is common in PT devices.

In 2B) ist ein Dotierstoffkonzentrationsprofil entlang der Schnittlinie A-A' der Querschnittsansicht aus 2A) schematisch gezeigt. Wie schon im Zusammenhang mit der Querschnittsansicht in 1 erläutert, rührt das Dotierstoffkonzentrationsprofil der Rückseitenemitterzone 10 und ebenso dasjenige der Vorderseitenemitterzone 11 von thermisch bedingter Diffusion entsprechender Dotierstoffatome her, beispielsweise von in den Halbleiterkörper 2 implantierten Dotierstoffen der Vorderseitenemitterzone 11 oder von Dotierstoffen einer als dotierte Halbleiterscheibe oder durch Ionenimplantation bereitgestellten Rückseitenemitterzone 10.In 2 B ) is a dopant concentration profile along the section line AA 'of the cross-sectional view 2A ) shown schematically. As already in connection with the cross-sectional view in 1 explained, stirs the dopant concentration profile of the back emitter zone 10 and also that of the front side emitter zone 11 thermally induced diffusion of corresponding dopant atoms, for example into the semiconductor body 2 implanted dopants of the front emitter zone 11 or dopants of a backside emitter zone provided as a doped semiconductor wafer or by ion implantation 10 ,

In 3 sind schematische Verläufe des elektrischen Feldes E entlang von in den 1 und 2 gezeigten Schnittlinien B-B' eines sich im Abschaltvorgang befindenden NPT-Halbleiterbauelements bei verschiedenen y-Koordinaten y1 und y2 gezeigt. Die Koordinaten y1 und y2 sind beispielhaft gewählt und dienen lediglich der Erläuterung verschiedener Feldverläufe in die Tiefe z in Abhängigkeit vom Ort y. Dargestellt ist lediglich der Feldverlauf innerhalb der Driftzone 9. Das Ausräumen der Raumladungszone bei der y-Koordinate y1 ist so weit vorangeschritten, dass sich eine Überschussladungsträgeransammlung von Elektronen und Löchern, ein sog. Elektron-Loch-Plasma 12 lediglich noch lokal vor der Rückseitenemitterzone 10 (nicht dargestellt) befindet. Bei dem Elektron-Loch-Plasma 12 handelt es sich um verbliebene Überschussladungsträger aus dem Durchlassbetrieb des NPT-Halbleiterbauelements. Bei der y-Koordinate y2 ist diese Überschussladungsträgeransammlung bereits ausgeräumt. Ursächlich für die von der y-Koordinate abhängige Feldverteilung können beispielsweise Inhomogenitäten innerhalb des Bauelements sein. Ohne Inhomogenitäten lässt sich eine Feldverteilung wie bei y2 auch homogen am Bauelement durch eine entsprechend hohe Stromdichte und hohe Spannung beim Schaltvorgang bewerkstelligen. Da am Halbleiterbauelement an den Koordinaten y1 und y2 dieselbe Spannung zwischen Vorder- und Rückseite anliegt sind die Flächen unter den zugehörigen Verläufen des elektrischen Feldes E jedoch gleich. Da bei der Koordinate y2 mit bereits abgebautem Elektron-Loch-Plasma 12 jedoch zur Vorderseite (in Richtung der Oberfläche 1) hin eine im Vergleich zur Koordinate y1 höhere elektrische Feldstärke vorliegt, ist in diesem Bereich mit dynamischem Avalanche, d. h. Ladungsträgergeneration zu rechnen. Nachteilig wirkt sich aus, dass an eben dieser Koordinate y2 das elektrische Feld nahe zur Rückseitenemitterzone 10 reicht. Eine zur Rückseitenemitterzone 10 zugehörige neutrale Basisweite w1, die durch die Weite eines neutralen Driftzonengebiets gegeben ist, ist demnach gering, was bei IGBTs zu einer hohen Rückseitenemittereffizienz führt. Injiziert die Rückseitenemitterzone 10 des IGBTs aufgrund der an der Vorderseite durch Avalanchegeneration erzeugten und über die Rückseitenemitterzone abfließenden Elektronen verstärkt Löcher, so erzeugen diese Löcher wiederum an der Vorderseite weitere Elektronen und dieser wechselseitige Prozess kann eine schädliche Stromfilamentierung mit sich bringen, worunter die dynamische Robustheit des Bauelements leidet.In 3 are schematic curves of the electric field E along in the 1 and 2 shown cut lines BB 'of an in-shutdown NPT semiconductor device at different y-coordinates y1 and y2 shown. The coordinates y1 and y2 are chosen by way of example and serve merely to explain different field profiles in the depth z as a function of the location y. Only the field course within the drift zone is shown 9 , The clearing of the space charge zone at the y-coordinate y1 has progressed so far that there is an excess charge carrier accumulation of electrons and holes, a so-called electron-hole plasma 12 only locally in front of the backside emitter zone 10 (not shown) is located. In the electron-hole plasma 12 These are remaining excess charge carriers from the forward operation of the NPT semiconductor device. At the y-coordinate y2 this excess charge carrier accumulation has already been eliminated. The cause of the y-coordinate-dependent field distribution can be, for example, inhomogeneities within the component. Without inhomogeneities, a field distribution as in y2 can also be achieved homogeneously on the component by means of a correspondingly high current density and high voltage during the switching operation. Since the same voltage between the front and back is applied to the semiconductor component at the coordinates y1 and y2, however, the surfaces under the associated progressions of the electric field E are the same. Because at the coordinate y2 with already degraded electron-hole plasma 12 but to the front (towards the surface 1 ) is present in comparison to the coordinate y1 higher electric field strength is expected in this area with dynamic avalanche, ie charge carrier generation. A disadvantage is that at this same coordinate y2, the electric field near the back emitter zone 10 enough. One to the back side emitter zone 10 corresponding neutral base width w1, which is given by the width of a neutral drift zone region, is accordingly low, which leads to a high backside emitter efficiency in IGBTs. Injects the backside emitter zone 10 of the IGBTs due to the generated on the front by avalanche generation and the effluent emanating from the backside emitter zone holes reinforced, these holes in turn generate more electrons at the front and this two-way process can bring a damaging Stromfilamentierung with it, suffers the dynamic robustness of the device.

In 4A) ist ein Auschnitt einer schematischen Querschnittsansicht eines NPT-IGBTs als Ausführungsform eines erfindungsgemäßen NPT-Halbleiterbauelements dargestellt. Das Halbleiterbauelement in 4A) weist mit dem in 1 gezeigten NPT-IGBT durch gemeinsame Referenzzeichen gekennzeichnete Bereiche wie etwa die Bodyzone 3 oder die Gateelektrodenstruktur 6 auf. Im Gegensatz zum bekannten NPT-IGBT aus 1 geht die Rückseitenemitterzone 10 jedoch nicht direkt in den schwach dotierten Bereich 13 der Driftzone 9 über, sondern diese grenzt an eine in einem neutralen Driftzonengebiet 14 ausgebildete Kompensationszone 15 an. Die Kompensationszone 15 ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie der schwach dotierte Bereich 13, jedoch vergleichsweise höher dotiert. Die Driftzone 9 weist somit im Gegensatz zu einem herkömmlichen NPT-IGBT zur Rückseitenemitterzone 10 hin eine Kompensationszone 15 auf. Im rechts zur Querschnittsansicht schematisch dargestellten Verlauf des elektrischen Feldes bei Einsatz des statischen Durchbruchs fällt das elektrische Feld innerhalb des schwach dotierten Bereichs 13 der Driftzone 9 auf null ab. Von der Tiefe des auf null abgefallenen elektrischen Feldes bis zur Rückseitenemitterzone 10 hin erstreckt sich das neutrale Driftzonengebiet 14, innerhalb dem die Kompensationszone 15 liegt.In 4A ) is an excerpt of a schematic cross-sectional view of an NPT IGBT as an embodiment of an NPT semiconductor device according to the invention. The semiconductor device in 4A ) indicates with the in 1 shown NPT-IGBT characterized by common reference marks areas such as the body zone 3 or the gate electrode structure 6 on. Unlike the well-known NPT IGBT out 1 go the backside emitter zone 10 but not directly in the weakly doped area 13 the drift zone 9 but it borders on one in a neutral drift zone area 14 trained compensation zone 15 at. The compensation zone 15 is of the same conductivity type as the lightly doped region 13 , but comparatively higher doped. The drift zone 9 Thus, unlike a conventional NPT IGBT, it has the backside emitter region 10 towards a compensation zone 15 on. In the course of the electric field, shown schematically on the right in the cross-sectional view, when the static breakdown is used, the electric field falls within the lightly doped region 13 the drift zone 9 to zero. From the depth of the zero electric field to the backside emitter zone 10 The neutral drift zone area extends 14 , within which the compensation zone 15 lies.

In 4B) ist schematisch ein Dotierstoffkonzentrationsprofil entlang der in der Querschnittsansicht in 4A) verlaufenden Schnittlinie A-A' gezeigt. Zu erkennen ist die zwischen dem schwach dotierten Bereich 13 der Driftzone 9 und der Rückseitenemitterzone 10 gelegene Kompensationszone 15.In 4B ) is a dopant concentration profile along that in the cross-sectional view in FIG 4A ) extending section line AA 'shown. You can see this between the weakly doped area 13 the drift zone 9 and the backside emitter zone 10 located compensation zone 15 ,

In 5A) ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsansicht einer nicht zur Erfindung gehörenden NPT-Diode dargestellt. Die NPT-Diode in 5A) weist mit der in 2A) gezeigten NPT-Diode durch gemeinsame Referenzzeichen gekennzeichnete Bereiche wie etwa die Vorderseitenzone 11 auf. Im Gegensatz zur NPT-Diode aus 2A) geht die Rückseitenemitterzone 10 jedoch nicht direkt in den schwach dotierten Bereich 13 der Driftzone 9 über, sondern diese grenzt wie auch bei der ersten Ausführungsform des NPT-IGBTs in 4A) an eine in einem neutralen Driftzonengebiet 14 ausgebildete Kompensationszone 15 an. Hinsichtlich des rechts zur Querschnittsansicht skizzierten Verlaufs des elektrischen Feldes E als auch des Dotierstoffkonzentrationsverlaufs in 5B) wird auf die Beschreibung der 4A) und 4B) weiter oben verwiesen.In 5A ) is a section of a schematic cross-sectional view of a not belonging to the invention NPT diode shown. The NPT diode in 5A ) indicates with in 2A ) shown by common reference character areas such as the front side zone 11 on. Unlike the NPT diode off 2A ) goes the backside emitter zone 10 but not directly in the weakly doped area 13 the drift zone 9 but, as in the first embodiment of the NPT-IGBT, it borders on 4A ) to one in a neutral drift zone area 14 trained compensation zone 15 at. With regard to the course of the electric field E sketched on the right for the cross-sectional view, as well as the dopant concentration profile in FIG 5B ) is based on the description of 4A ) and 4B ) referenced above.

Die Kompensationszonen 15 der Bauelemente der 4 und 5 dienen zur Lösung einer selben Aufgabe, nämlich der Erhöhung der dynamischen Robustheit des Bauelements durch Abschwächung eines Felddurchgriffs beim Abschalten des NPT-Bauelements und damit beim IGBT zur Abschwächung der Effizienz der Rückseitenemitterzone und bei der Diode insbesondere zu einem weicheren Abschalten und zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Feldstärkespitzen im Bereich des rückseitigen Emitters. Die Kompensationszonen können sich jedoch beispielsweise hinsichtlich maximaler Dotierstoffkonzentration, Dotierstoffelement und Dicke abhängig vom gewählten NPT-Bauelementtyp, etwa NPT-Diode oder NPT-IGBT, unterscheiden.The compensation zones 15 the components of 4 and 5 serve to solve the same problem, namely the increase of the dynamic robustness of the device by weakening a field penetration when switching off the NPT device and thus the IGBT to mitigate the efficiency of the back emitter zone and the diode in particular to a softer shutdown and to avoid or reduce of field strength peaks in the area of the back emitter. However, the compensation zones may differ, for example, in terms of maximum dopant concentration, dopant element, and thickness, depending on the type of NPT device selected, such as NPT diode or NPT IGBT.

Zur Erläuterung der durch die Kompensationszone 15 der NPT-Bauelemente der 4 und 5 erzielbaren Vorteile gegenüber herkömmlichen in 1A) und 2B) gezeigten NPT-Bauelementen wird die 6 in Zusammenhang mit der 3 und deren Figurenbeschreibung betrachtet. Ebenso wie in 3 sind in 6 schematische Verläufe des elektrischen Feldes entlang der Schnittlinen B-B' der im Abschaltvorgang betriebenen und in 3 und 4 gezeigten NPT-Halbleiterbauelemente beispielhaft bei verschiedenen y-Koordinaten y1 und y2 gezeigt. Der Einfluss der Kompensationszone 15 auf die Bauelementeigenschaften beim Abschaltvorgang wird insbesondere bei Betrachtung des Tiefenprofils des elektrischen Feldes bei der y-Koordinate y2 ersichtlich. Das elektrische Feld dehnt sich im NPT-Halbleiterbauelement mit Kompensationszone 15 nicht so stark in die Driftzone 9 hinein aus wie dies beim Feldverlauf eines herkömmlichen NPT-Bauelements in 3 der Fall ist. Mit anderen Worten weist ein NPT-Halbleiterbauelement mit Kompensationszone eine größere neutrale Basisweite w2 auf im Vergleich zur neutralen Basisweite w1 eines herkömmlichen NPT-Bauelements unter Annahme eines zur Koordinate y2 zugehörigen Abschaltzustandes. Dies rührt daher, dass die Kompensationszone 15 mit ihrer durch ionisierte Dotierstoffatome hervorgerufenen Ladung zu einer stärkeren Abschwächung des elektrischen Feldes führt als dies der schwach dotierte Bereich 13 der Driftzone 9 vermag. Eine größere neutrale Basisweite führt jedoch bei IGBTs zu einer Reduzierung der Emittereffizienz der Rückseitenemitterzone 10, so dass ein auf der Vorderseite generierter Elektronenstrom bei Abfluss über die Rückseitenemitterzone 10 eine geringere Löcherinjektion mit sich bringt. Eine geringere Löcherinjektion von IGBTs über die Rückseitenemitterzone 10 führt jedoch ihrerseits zu einer geringeren Avalanchegeneration beim Maximalwert des elektrischen Feldes an der Vorderseite. Damit kann mit Hilfe der Kompensationszone 15 einer schädigenden Stromfilamentierung entgegengewirkt werden, und es kann eine verbesserte dynamische Robustheit erzielt werden.To explain the through the compensation zone 15 the NPT components of 4 and 5 achievable advantages over conventional in 1A ) and 2 B ) shown NPT components is the 6 in connection with the 3 and their description of the figures. As well as in 3 are in 6 schematic curves of the electric field along the cut lines BB 'operated in the shutdown and in 3 and 4 shown NPT semiconductor devices shown by way of example at different y-coordinates y1 and y2. The influence of the compensation zone 15 on the device properties during the shutdown process is particularly evident when looking at the depth profile of the electric field at the y-coordinate y2. The electric field expands in the NPT semiconductor device with compensation zone 15 not so strong in the drift zone 9 in like this in the field profile of a conventional NPT device in 3 the case is. In other words, a compensated-zone NPT semiconductor device has a larger neutral base width w2 compared to the neutral base width w1 of a conventional NPT device assuming a turn-off state associated with the coordinate y2. This is due to the fact that the compensation zone 15 With their charge caused by ionized dopant atoms leads to a stronger attenuation of the electric field than that of the weakly doped region 13 the drift zone 9 can. However, a larger neutral base width leads to a reduction in the emitter efficiency of the backside emitter zone in IGBTs 10 such that an electron current generated on the front side flows down the backside emitter zone 10 a smaller hole injection brings with it. A smaller hole injection of IGBTs over the backside emitter zone 10 However, in turn leads to a lower avalanche generation at the maximum value of the electric field at the front. This can be done with the help of the compensation zone 15 a damaging Stromfilamentierung be counteracted, and it can be achieved an improved dynamic robustness.

Insbesondere die bei hohen Stromdichten während des Abschaltens bei Dioden am Kathodenemitter auftretenden Feldspitzen können bei geeigneter Dotierung und hinreichend vertikaler Ausdehnung der Kompensationszone sehr effektiv reduziert werden, indem die sich im Übergangsbereich zwischen der Driftzone und dem n+-dotierten Kathodenemitter ausbildende Raumladungszone gezielt aufgeweitet wird. Die Dotierung der Kompensationszone sollte dabei (bei hohen Dotierungsgradienten vom Kathodenemitter weg zumindest lokal) im Bereich der Elektronenkonzentration liegen.In particular, the field peaks occurring at high current densities during diode diodes on the cathode emitter can be very effectively reduced with suitable doping and sufficiently vertical expansion of the compensation zone by deliberately widening the space charge zone forming in the transition region between the drift zone and the n + -doped cathode emitter. The doping of the compensation zone should be (in the case of high doping gradients away from the cathode emitter at least locally) in the range of the electron concentration.

11
Oberflächesurface
22
HalbleiterkörperSemiconductor body
33
BodyzoneBody zone
44
Sourcezonesource zone
55
metallische Kontakt- und Verdrahtungsebenemetallic Contact and wiring level
66
GateelektrodenstrukturGate electrode structure
77
GateisolationsstrukturGate insulating structure
88th
weitere IsolationsstrukturFurther isolation structure
99
Driftzonedrift region
1010
RückseitenemitterzoneBackside emitter region
1111
Vorderseitenemitterzone bzw. AnodeFront emitter region or anode
1212
Elektron-Loch-PlasmaElectron-hole plasma
1313
schwach dotierter Bereich der Driftzoneweak doped region of the drift zone
1414
neutrales Driftzonengebietneutral Drift zone area
1515
Kompensationszonecompensation zone
Ee
elektrisches Feldelectrical field
n = pn = p
übereinstimmende Elektronen- und Löcherkonzentration in einem Elektron-Loch-Plasmamatching Electron and hole concentration in an electron-hole plasma
NN
Dotierstoffkonzentrationdopant
RLZRLZ
RaumladungszoneSpace charge region
w1, w2w1, w2
für Effizienz der Rückseitenemitterzone maßgebliche neutrale Basisweitefor efficiency the backside emitter zone authoritative neutral base width

Claims (13)

NPT-Halbleiterbauelement in der Form eines MOSFETs oder eines IGBTs mit – einer Driftzone (9) von einem ersten Leitfähigkeitstyp; – einer auf der einen Seite der Driftzone (9) ausgebildeten und an die Driftzone (9) angrenzenden weiteren Halbleiterzone (3, 11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegen gesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die weitere Halbleiterzone (3, 11) eine höhere maximale Dotierstoffkonzentration als die Driftzone (9) aufweist und an eine Kontaktebene angeschlossen ist; – einer auf der anderen, zur einen Seite gegenüberliegenden Seite der Driftzone (9) ausgebildeten Rückseitenzone (10); – einem bei Anliegen einer statischen Druchbruchspannung des NPT-Halbleiterbauelements zwischen Kontaktebene und Rückseitenzone (10) verbleibenden neutralen Driftzonengebiet (14), das zwischen einem innerhalb der Driftzone (9) ausgebildeten Teil einer Raumladungszone (RLZ) und der Rückseitenzone (10) angeordnet ist, wobei: – innerhalb des neutralen Driftzonengebiets (14) eine Kompensationszone (15) eingebettet ist, die vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Driftzone (9) ist und eine im Vergleich zur Driftzone (9, 13) höhere maximale Dotierstoffkonzentration, die niedriger als die Dotierstoffkonzentration der Rückseitenzone (10) ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Driftzone (9) eine räumliche konstante Dotierstoffkonzentration hat.NPT semiconductor device in the form of a MOSFET or an IGBT with - a drift zone ( 9 ) of a first conductivity type; - one on one side of the drift zone ( 9 ) and to the drift zone ( 9 ) adjacent another semiconductor zone ( 3 . 11 ) of a first conductivity type opposite to the second conductivity type, wherein the further semiconductor zone ( 3 . 11 ) a higher maximum dopant concentration than the drift zone ( 9 ) and connected to a contact plane; One on the other, opposite side of the drift zone ( 9 ) formed backside zone ( 10 ); In the case of the application of a static breakdown voltage of the NPT semiconductor component between the contact plane and the backside zone ( 10 ) remaining neutral drift zone area ( 14 ) located between one within the drift zone ( 9 ) formed part of a space charge zone (RLZ) and the backside zone ( 10 ), wherein: within the neutral drift zone area ( 14 ) a compensation zone ( 15 ), which are of the same conductivity type as the drift zone ( 9 ) and one compared to the drift zone ( 9 . 13 ) higher maximum dopant concentration lower than the dopant concentration of the backside zone ( 10 ), characterized in that - the drift zone ( 9 ) has a spatial constant dopant concentration. NPT-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) als Dotierstoff Phosphor und/oder Selen aufweist.NPT semiconductor device according to claim 1, characterized in that the compensation zone ( 15 ) has as dopant phosphorus and / or selenium. NPT-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone eine n-Dotierung aufweist, die durch Einbringen von Wasserstoff in die Kompensationszone gefolgt von einer Temperung bei 250°C bis 550°C für einige 10 Minuten bis mehrere Stunden herstellbar ist.NPT semiconductor device according to claim 1, characterized characterized in that the compensation zone has an n-type doping, which is followed by introducing hydrogen into the compensation zone an annealing at 250 ° C. up to 550 ° C for some 10 Minutes to several hours can be produced. NPT-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) eine Dicke im Bereich von 1% bis 25% der Dicke der Driftzone (9) aufweist.NPT semiconductor device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the compensation zone ( 15 ) has a thickness in the range of 1% to 25% of the thickness of the drift zone ( 9 ) having. NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kompensationszone (15) im Bereich von 3 μm bis 20 μm liegt.NPT semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the compensation zone ( 15 ) is in the range of 3 μm to 20 μm. NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) ein von der Rückseitenzone (10) in die Driftzone (9) abfallendes Dotierstoff konzentrationsprofil aufweist.NPT semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the compensation zone ( 15 ) from the backside zone ( 10 ) into the drift zone ( 9 ) sloping dopant concentration profile. NPT-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationszone (15) ein von der Rückseitenzone (10) in die Driftzone (9) wenigstens teilweise ansteigendes Dotierstoffkonzentrationsprofil aufweist.NPT semiconductor device according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the compensation zone ( 15 ) from the backside zone ( 10 ) into the drift zone ( 9 ) has at least partially increasing dopant concentration profile. NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das NPT-Halbleiterbauelement ein MOSFET ist, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone (3) ausbildet; und dass – die Rückseitenzone (10) vom ersten Leitfähigkeitstyp ist.NPT semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that The NPT semiconductor device is a MOSFET, the further semiconductor zone being a body zone ( 3 ) trains; and that - the backside zone ( 10 ) is of the first conductivity type. NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone (15) kleiner als einige 1016 cm–3 ist.NPT semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum dopant concentration in the compensation zone ( 15 ) is less than a few 10 16 cm -3 . NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone (15) kleiner als 1015 cm–3 ist.NPT semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum dopant concentration in the compensation zone ( 15 ) is less than 10 15 cm -3 . NPT-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das NPT-Halbleiterbauelement ein IGBT ist, wobei die weitere Halbleiterzone eine Bodyzone (3) ausbildet; und dass – die Rückseitenzone (10) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.NPT semiconductor device according to one of claims 1 to 7, characterized in that - the NPT semiconductor device is an IGBT, wherein the further semiconductor zone is a body zone ( 3 ) trains; and that - the backside zone ( 10 ) is of the second conductivity type. NPT-Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoffkonzentration in der Kompensationszone (15) im Bereich von 1015 cm–3 bis 1017 cm–3 liegt.NPT semiconductor device according to claim 11, characterized in that the maximum dopant concentration in the compensation zone ( 15 ) is in the range of 10 15 cm -3 to 10 17 cm -3 . NPT-Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzone (9) eine maximale Dotierstoffkonzentration im Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 8 × 1013 cm–3 aufweist.NPT semiconductor device according to one of the preceding claims, characterized in that the drift zone ( 9 ) has a maximum dopant concentration in the range of 1 × 10 13 cm -3 to 8 × 10 13 cm -3 .
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