DE10057612B4 - Vertikales Halbleiterbauelement mit vertikalem Randabschluss - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (100), der ein Substrat (34) und eine auf das Substrat aufgebrachte Epitaxieschicht aufweist und der eine erste Zone (20) eines ersten Leitungstyps (p) und eine sich in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers (100) an die erste Zone (20) anschließende zweite Zone (30) eines zweiten Leitungstyps (n) aufweist, wobei die zweite Zone (30) eine stark dotierte Anschlusszone (34), die durch das Substrat gebildet ist, und eine in der Epitaxieschicht ausgebildete und sich an die erste Zone (20) anschließende schwächer dotierte Zone (32) aufweist, wobei die erste Zone (20) sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (100) bis an eine Seitenwand (101) erstreckt, die wenigstens annäherungsweise in vertikaler Richtung verläuft und die durch einen stufenförmigen Ausschnitt (102) am Rand des Halbleiterkörpers (100) gebildet ist, der sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) bis an das Substrat erstreckt, und wobei der Halbleiterkörper im Bereich der Seitenwand...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein vertikales Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der eine erste Zone eines ersten Leitungstyps und eine sich in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers an die erste Zone anschließende zweite Zone eines zweiten Leitungstyps aufweist.
  • Ein derartiges vertikales Bauelement mit einer Zone eines ersten Leitungstyps und einer sich in vertikaler Richtung anschließenden Zone eines zweiten Leitungstyps ist beispielsweise eine Diode, ein Transistor oder ein Thyristor. Die erste Zone ist dabei beispielsweise wannenartig in der zweiten Zone ausgebildet.
  • Bei Anlegen einer Sperrspannung an das Bauelement, bzw. den Übergang zwischen den Zonen des ersten und zweiten Leitungstyps, verlaufen die Äquipotentiallinien unterhalb der ersten Zone bei derartigen Bauelementen in etwa in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers, während sie zu den Rändern der ersten Zone hin gekrümmt sind. In diesen Randbereichen kann die Feldstärke die Feldstärke in den großflächigeren Bereichen unterhalb der ersten Zone übersteigen, wodurch es zu einem Spannungsdurchbruch am Rand des Bauelements kommen kann.
  • Um einen solchen Spannungsdurchbruch zu vermeiden sind bei vertikalen Halbleiterbauelementen, insbesondere bei Halbleiterbauelementen, für die eine hohe Spannungsfestigkeit gefordert ist, wie z. B. bei Hochvolt-Dioden oder Leistungstransistoren, spezielle Randstrukturen vorgesehen. Aufgabe dieser Randstrukturen ist es, den Feldlinienverlauf an den seitlichen Rändern des Halbleiterübergangs so zu beeinflussen, dass die Feldstärke dort stets geringer als in dem großflächigen Bereich unterhalb der ersten Zone ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Spannungsdurchbruch in einem möglichst großen Volumenanteil des Bauelements auftritt, um die sogenannte ”Avalanchefestigkeit”, das heißt die Verlustleistung bis zur Zerstörung des Bauelements, möglichst groß zu machen. Dabei gilt es Krümmungen im Verlauf der Äquipotentiallinien innerhalb des Halbleiterkörpers zu vermeiden.
  • Beispiele derartiger Randstrukturen sind in B. Jayant Baliga: ”Modern Power Devices”, John Wiley & Sons, 1987, auf den Seiten 92–129 beschrieben. Zu den beschriebenen Möglichkeiten zur Beeinflussung des Feldlinienverlauf zählen das Vorsehen von Feldplatten, Feldringen oder einer Kombination von beidem auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers oder das Abschrägen des Halbleiterkörpers an dessen Rändern. Diesen Maßnahmen ist gemeinsam, dass sie platzaufwändig sind. Die Breite des Randes ist dabei 3–4 mal so groß wie die vertikale Ausdehnung des aktiven Bereiches des Bauelements. Bei kleinen Chips kann die Randstruktur dabei bis zu 75% der Chipfläche betragen.
  • Die DE 195 07 146 A1 beschreibt einen vertikalen MOS-Transistor mit einer in einem Graben angeordneten Gate-Elektrode.
  • Die DE 43 20 780 A1 beschreibt eine in einem Halbleiterkörper integrierte Diode mit einer p-Schicht und einer sich an die p-Schicht anschließenden n-Schicht, bei der die p-Schicht und die n-Schicht in einer lateralen Richtung bis an einen Rand des Halbleiterkörpers reichen.
  • Die GB 2 303 965 A beschreibt einen in einem Halbleiterkörper integrierten IGBT mit einer p-dotierten Emitterzone und einer n-dotierten Driftzone, an die sich im Randbereich des Halbleiterkörpers eine hoch-p-dotierte Halbleiterzone anschließt.
  • Die WO 97/27629 A beschreibt eine vertikale Schottkydiode mit einem vertikalen Randabschluss.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das im Randbereich eine größere oder wenigstens gleich große Durchbruchspannung wie unterhalb der ersten Zone aufweist und dessen Randzone platzsparend realisierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper mit einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps und einer sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers anschließenden zweiten Zone eines zweiten Leitungstyps auf. Die erste Zone erstreckt sich dabei in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers bis an eine wenigstens annäherungsweise in vertikaler Richtung verlaufende Seitenwand des Halbleiterkörpers. Bei Anlegen einer Sperrspannung treten die Äquipotentiallinien bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement seitlich im wesentlichen ungekrümmt aus dem Halbleiterkörper aus, wodurch die Durchbruchspannung am Rand des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen etwa der Durchbruchspannung unterhalb der ersten Zone entspricht.
  • Es ist vorgesehen, dass eine dritte Zone des ersten Leitungstyps an der Seitenwand ausgebildet ist, die sich an die erste Zone anschließt und die schwächer als die erste Zone dotiert ist. Die dritte Zone ist dabei mit einer Flächenladung dotiert, die kleiner ist als die sogenannte Durchbruchsladung, die etwa 1·1012 q·cm–2 beträgt, wobei q die Elementarladung ist. Die Flächendotierung der dritten Zone bezieht sich auf die senkrecht verlaufende Randfläche. Die Durchbruchsladung ist die Ladung, die im Sperrfall bei einem Halbleiterübergang, d. h. pn-Übergang, aus den Halbleiterbereichen ausgeräumt wird. Diese Durchbruchsladung ist annäherungsweise konstant. Dadurch wirkt die dritte Zone des ersten Leitungstyps und der sich anschließende Bereich der zweiten Zone bei Anlegen der Sperrspannung wie ein intrinsisches Gebiet, das bewirkt, dass die Äquipotentiallinien im Grenzbereich der zweiten und dritten Zone nach unten gekrümmt werden, wodurch die Durchbruchspannung im Randbereich des Bauelements größer als in dem großflächigen Bereich unterhalb der ersten Zone ist.
  • Außerdem ist vorgesehen, dass die Seitenwand durch eine Stufe am Rand des Halbleiterkörpers gebildet ist. Die zweite Zone ist durch eine stark dotierte Zone und eine darüber liegende schwächer dotierte Zone (z. B. Epitaxieschicht) gebildet. Die Stufe erstreckt sich dabei bis an die stärker dotierte Schicht.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt:
  • 1: ein als Diode ausgebildetes vertikales Halbleiterbauelement mit vertikalem Randabschluss,
  • 2: ein als Diode ausgebildetes vertikales Halbleiterbauelement mit vertikalem Randabschluss gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Halbleiterbauelements in seitlicher Ansicht im Querschnitt. Das dargestellte Halbleiterbauelement ist als Hochspannungsdiode ausgebildet und weist einen Halbleiterkörper 100 mit einer p-dotierten Zone 20 als Zone eines ersten Leitungstyps und einer sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 an die p-dotierte Zone 20 anschließende n-dotierte Zone 30 als Zone eines zweiten Leitungstyps auf. Die n-dotierte Zone 30 besteht in dem Ausführungsbeispiel aus einem stark n-dotierten Substrat 34, auf welchem eine schwächer n-dotierte Epitaxieschicht 32 aufgebracht ist. Der obere Bereich dieser Epitaxieschicht ist dabei im Bereich der ersten Zone 20 p-dotiert. Die erste p-dotierte Zone 20 des Halbleiterbauelements bildet den Anoden Anschluss A und das Substrat 34 bildet den Kathoden-Anschluss K der Diode, die bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen Anode A und Kathode K leitet und die bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen Kathode K und Anode A sperrt.
  • Die n-dotierte Epitaxieschicht 32 und die darüber liegende p-dotierte erste Zone 20 erstrecken sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 bis zu einer Seitenfläche 101, die am Rand des Halbleiterkörpers 100 durch eine Stufe 102 gebildet ist, wobei sich die Stufe 102 in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 bis an das Substrat erstreckt. Die Seitenfläche 101, die wenigstens annäherungsweise in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 100 verläuft, und eine Grundfläche der Stufe 102, die in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 verläuft, stehen wenigstens annäherungsweise senkrecht aufeinander.
  • Die Stufe 102 am Rand des Halbleiterkörpers 100 ist mittels beliebiger herkömmlicher mechanischer oder chemischer Verfahren zum Einbringen von Vertiefungen in ein Halbleitermaterial herstellbar.
  • Sperrt die Diode bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Kathode und der Anode, so bildet sich ausgehend von der p-dotierten Anodenzone 20 eine Raumladungszone aus, wobei in 1 gestrichelt Äquipotentiallinien 200 zur Veranschaulichung des Potentialverlaufs eingezeichnet sind.
  • Bei Halbleiterbauelementen mit einem pn-Übergang ist die Spannungsfestigkeit bekanntlicherweise an den Stellen geringer, an denen die Äquipotentiallinien gekrümmt um Bereiche niedrigeren Potentials verlaufen. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß 1 verlaufen die Äquipotentiallinien unterhalb der schichtartig ausgebildeten p-dotierten Anodenzone 20 annäherungsweise parallel und in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100, erst im Bereich der Seitenfläche 101 tritt eine leichte Krümmung der Äquipotentiallinien 200 nach oben auf. Die Spannungsfestigkeit des Halbleiterbauelements entspricht im Bereich der Seitenfläche 101 damit in etwa der Spannungsfestigkeit in dem flächenmäßig größeren Bereich unterhalb der ersten Zone 20. Selbst eine Spannungsfestigkeit im Randbereich, die etwas geringer als die Spannungsfestigkeit im großflächigen Bereich unterhalb der Anodenzone ist, ist für viele Anwendungen ausreichend und kann mit dem Randabschluss einfach und platzsparend realisiert werden.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, insbesondere einer erfindungsgemäßen Hochspannungsdiode, welche sich von dem in 1 dargestellten durch eine p-dotierte Zone 40 unterscheidet, die entlang der Seitenfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 eindotiert ist und welche sich an die p-dotierte Anodenzone 20 anschließt. Die p-dotierte Zone 40 kann beispielsweise nach Herstellen der Stufe 102 durch Schrägimplantation von p-Ladungsträgern in die Seitenfläche 101 erfolgen.
  • Die p-dotierte Zone 40 ist schwächer als die erste Zone 20 dotiert, die Flächenladung der p-dotierten Zone 40 ist dabei geringer als die Durchbruchsladung von 1·1012 cm–2. Bei Anlegen einer Sperrspannung wird die p-dotierte Zone 40 vollständig ausgeräumt, das heißt freie Ladungsträger der p-dotierten Zone 40 rekombinieren mit freien Ladungsträgern der sich daran anschließenden Epitaxieschicht 32, so dass keine freien p-Ladungsträger mehr vorhanden sind. Die Auswirkungen der p-dotierten Zone 40 auf den Verlauf der Äquipotentiallinien 200 werden anhand der 2 deutlich. Die Äquipotentiallinien sind dabei vor der p-dotierten Zone 40 nach unten gekrümmt, so dass die Feldstärken in den zu der p-dotierten Zone 40 benachbarten Bereichen der Epitaxieschicht 32 und in der Zone 40 geringer sind, als in den übrigen Bereichen der Epitaxieschicht, in welchen die Äquipotentiallinien annäherungsweise parallel verlaufen. Die Durchbruchspannung des Halbleiterbauelements gemäß 2 ist im Bereich der p-dotierten Zone 40 und den daran angrenzenden Bereichen der Epitaxieschicht 32 größer als in den übrigen Bereichen der Epitaxieschicht 32. Ein Spannungsdurchbruch tritt bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement dadurch großflächig unterhalb der Anodenzone 20 auf.
  • Die 1 und 2 zeigen jeweils nur Ausschnitte am Rand eines Halbleiterbauelements. Das Bauelement ist dabei vorzugsweise symmetrisch aufgebaut und nimmt den gesamten zur Verfügung stehenden Raum des Halbleiterkörpers ein. Der Halbleiterkörper ist insbesondere plättchenförmig und in Draufsicht rechteckförmig, wobei ringsherum an den Kanten des Halbleiterkörpers ein Randabschluss mit einer Stufe 102 und gegebenenfalls einer p-dotierten Zone 40 entlang der Seitenfläche 101 der Stufe 102 gebildet ist, wie er im rechten Teil der 1 und 2 dargestellt ist.
  • Der erfindungsgemäße Randabschluss mit der Stufe 102 und der p-dotierten Zone 40 entlang der Seitenfläche 101 der Stufe 102 ist vorzugsweise an allen Rändern, das heißt an vier Seiten, des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ausgebildet.
  • Der Randabschluss, welcher durch eine Stufe am Rand eines Halbleiterkörpers gebildet ist, und bei welchem eine p-dotierte Zone bis an eine Seitenfläche der Stufe reicht und bei welchem eine leicht p-dotierte Schicht auf die Seitenfläche aufgebracht ist, kann bei allen Halbleiterbaueelementen, bei welchen der gleichrichtende Effekt eines pn-Übergangs genutzt wird, Anwendung finden. Weitere Beispiele sind neben den bereits beschriebenen Dioden auch IGBT und MOSFET.
  • In den Figuren nicht näher dargestellt ist eine Passivierungsschicht, die in einer in der Halbleitertechnologie üblichen Weise auf die Seitenwand 101 aufgebracht ist. Diese Passivierungsschicht besteht vorzugsweise aus einem Halbleiteroxid, beispielsweise Siliziumdioxid bei einem Halbleiterkörper 100 aus Silizium, einem Nitrid oder einem Polyimid.
  • Bezugszeichenliste
    • 20
    p-dotierte Zone
    32, 34
    n-dotierte Zonen
    40
    p-dotierte Zone
    100
    Halbleiterkörper
    101
    Seitenfläche
    102
    Stufe
    103
    Grundfläche
    200
    Äquipotentiallinien

Claims (4)

  1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (100), der ein Substrat (34) und eine auf das Substrat aufgebrachte Epitaxieschicht aufweist und der eine erste Zone (20) eines ersten Leitungstyps (p) und eine sich in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers (100) an die erste Zone (20) anschließende zweite Zone (30) eines zweiten Leitungstyps (n) aufweist, wobei die zweite Zone (30) eine stark dotierte Anschlusszone (34), die durch das Substrat gebildet ist, und eine in der Epitaxieschicht ausgebildete und sich an die erste Zone (20) anschließende schwächer dotierte Zone (32) aufweist, wobei die erste Zone (20) sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers (100) bis an eine Seitenwand (101) erstreckt, die wenigstens annäherungsweise in vertikaler Richtung verläuft und die durch einen stufenförmigen Ausschnitt (102) am Rand des Halbleiterkörpers (100) gebildet ist, der sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers (100) bis an das Substrat erstreckt, und wobei der Halbleiterkörper im Bereich der Seitenwand (101) zwischen der zweiten Zone (30) und der Seitenwand (101) eine dritte Zone (40) des ersten Leitungstyps aufweist, die sich an die erste Zone (20) anschließt, die bis an das Substrat reicht und die eine Flächenladung aufweist, die kleiner als die Durchbruchsladung ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Flächenladung kleiner als 1·1012 q·cm–2 ist.
  3. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Passivierungsschicht auf die Seitenwand (101) aufgebracht ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem die Passivierungsschicht ein Halbleiteroxid, ein Nitrid oder ein Polyimid ist.
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