DE10061310A1 - Halbleiterbauelement mit erhöhter Durchbruchspannung sowie dazugehöriges Herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleiterbauelement mit erhöhter Durchbruchspannung sowie dazugehöriges Herstellungsverfahren

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DE10061310A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit erhöhter Durchbruchspannung mit einer aktiven Struktur (AS) und einer Randstruktur (RS). Eine Vielzahl von ersten und zweiten Rand-Kompensationsgebieten (2 und 3) sind hierbei derart in der Randstruktur ausgebildet, dass die zweiten Rand-Kompensationsgebiete (3) vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt werden und eine Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur (RS) geringer ist als eine Kompensationsfeldstärke in einer aktiven Struktur (AS) des Halbleiterbauelements.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbau­ element mit erhöhter Durchbruchspannung sowie ein dazugehöri­ ges Herstellungsverfahren und insbesondere auf ein Kompensa­ tionsbauelement mit verbessertem Randabschluss.
Halbleiterbauelemente und insbesondere Leistungsbauelemente benötigen insbesondere in einem Randbereich Strukturen, die in Grenzbelastungen (wie z. B. avalanche-Belastung) des Haupt­ bauelements vor Überlastung bzw. Durchbruch geschützt werden. Insbesondere in Randbereichen eines Halbleiterbauelements, an denen auf Grund des leitenden Chiprandes ein Substratpotenti­ al (Drainpotential) auch an der Oberfläche des Chips anliegt, treten gekrümmte Potentialfeldlinien auf, die zu einem erhöh­ ten elektrischen Feld und zu einem frühen Durchbruch führen. Bei herkömmlichen Leistungsbauelementen, die nicht auf einem Kompensationsprinzip beruhen, ist eine Realisierung von durchbruchsicheren Randstrukturen nur mit großem technologi­ schen Aufwand möglich.
Zu Halbleiterbauelementen, die auf dem Kompensationsprinzip basieren, gibt es über einen langen Zeitraum verstreut, ver­ schiedene theoretische Untersuchungen (vergleiche US 4,754,310 und US 5,216,275), in denen jedoch speziell Verbes­ serungen des Einschaltwiderstandes RDS(on) und nicht die Stabi­ lität bei Strombelastung, wie insbesondere Robustheit hin­ sichtlich "avalanche" und Kurzschluss im Hochstromfall bei hoher Source-Drain-Spannung, angestrebt werden. Insbesondere eine Übertragung dieses Kompensationsprinzips auf nicht akti­ ve Randstrukturen, wie sie beispielsweise in einem Randbe­ reich oder Zwischenbereich benötigt werden, sind bisher nicht bekannt.
Aus der Druckschrift US 4,750,028 ist ferner ein Halbleiter­ bauelement mit einer Randstruktur bekannt, die zur Verbesse­ rung einer Durchbruchspannung mehrere schwebende Zonen inner­ halb einer Raumladungszone einer aktiven Struktur aufweist. Die schwebenden Zonen werden hierbei jedoch derart ausgebil­ det, das sie nur teilweise von Ladungsträgern ausgeräumt wer­ den.
Das Kompensationsprinzip von Kompensationsbauelementen beruht auf einer gegenseitigen Kompensation der Ladung von n- und p- dotierten Gebieten in der Driftregion des Transistors. Die Gebiete sind dabei räumlich so angeordnet, dass das Linienin­ tegral über die Dotierung entlang einer vertikal zum pn- Übergang verlaufenden Linie jeweils unterhalb der material­ spezifischen Durchbruchsladung bleibt (Silizium: ca. 2 × 1012 cm-2). Beispielsweise können in einem Vertikaltransistor, wie er in der Leistungselektronik üblich ist, paarweise p- und n- Säulen oder Platten etc. angeordnet sein.
Durch die weitgehende Kompensation der p- und n-Dotierungen lässt sich bei Kompensationsbauelementen die Dotierung des stromführenden Bereichs (für n-Kanal-Transistoren der n- Bereich, für p-Kanal-Transistoren der p-Bereich) deutlich er­ höhen, woraus trotz des Verlusts an stromführender Fläche ein deutlicher Gewinn an Einschaltwiderstand RDS(on) resultiert. Die Sperrfähigkeit des Transistors hängt dabei im Wesentli­ chen von der Differenz der beiden Dotierungen ab. Da aus Gründen der Reduktion des Einschaltwiderstandes eine um min­ destens eine Größenordnung höhere Dotierung des stromführen­ den Gebiets erwünscht ist, erfordert die Beherrschung der Sperrspannung eine kontrollierte Einstellung des Kompensati­ onsgrades, der für Werte im Bereich ≦ ±10% definierbar ist. Bei einem höheren Gewinn an Einschaltwiderstand wird der ge­ nannte Bereich noch kleiner. Der Kompensationsgrad ist dabei definierbar durch
(p-Dotierung - n-Dotierung)/n-Dotierng
oder durch
Ladungsdifferenz/Ladung eines Dotierungsgebiets.
Um nachhaltige Schädigungen bzw. eine Zerstörung von Halblei­ terbauelementen zu verhindern, müssen daher insbesondere ge­ fährdete Bereiche wie Randbereiche bei Grenzbelastungen eines Hauptbauelements vor Überlastung geschützt werden und eine höhere Durchbruchspannung aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Halblei­ terbauelement mit erhöhter Durchbruchspannung sowie ein dazu­ gehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, welches einen verbesserten Randabschluss aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Halblei­ terbauelements durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder 24 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 20 gelöst.
Insbesondere durch die Verwendung einer Vielzahl von Rand- Kompensationszonen zum Ausbilden von schwebenden zweiten Rand-Kompensationsgebieten innerhalb von ersten Rand- Kompensationsgebieten derart, dass die zweiten Rand- Kompensationsgebiete vollständig von Ladungsträgern ausge­ räumt werden und eine Kompensationsfeldstärke in der Rand­ struktur geringer ist als eine Kompensationsfeldstärke in der aktiven Struktur des Halbleiterbauelements, erhält man eine Randstruktur mit erhöhter Durchbruchspannung, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist. Alternativ kann die Rand­ struktur ein im wesentlichen intrinsisches Halbleitersubstrat aufweisen.
Insbesondere bei Realisierung einer Randstruktur für ein Kom­ pensationsbauelement können die Herstellungskosten für eine gleichartige Randstruktur auf Grund der sehr ähnlichen Struk­ turen wesentlich verringert werden.
Vorzugsweise wird die Randstruktur in einem Randbereich des Halbleiterbauelements realisiert, wodurch die am Chiprand auftretenden Kurzschlüsse mit den einhergehenden Potential­ feldverbiegungen und erhöhten elektrischen Feldern verringert werden. Die Randstruktur kann jedoch auch für einen Zwischen­ bereich zwischen einem Hauptelement und einem Nebenelement des Halbleiterbauelements verwendet werden, wodurch bei­ spielsweise in einem Kompensationselement verwendete Sensor­ elemente zuverlässig und kostengünstig in das Hauptelement eingebettet werden können.
Vorzugsweise besitzt die Randstruktur eine Zellenstruktur, die im Wesentlichen einer Zellenstruktur der aktiven Struktur des Halbleiterbauelements entspricht, wodurch sich die Kosten weiter verringern lassen und eine nahtlose Anbindung der Randstruktur an die aktive Struktur des Halbleiterbauelements ermöglicht wird.
Vorzugsweise besteht die Zellenstruktur der Randstruktur im Wesentlichen aus einem Vieleck wie z. B. einer hexagonalen Struktur.
Vorzugsweise sind die Vielzahl von Rand-Kompensationszonen ringförmig ausgebildet und beispielsweise an die Zellenstruk­ tur der Randstruktur angepasst. Auf diese Weise erhöht man auf besonders vorteilhafte Weise die Durchbruchspannung in der Randstruktur.
Ferner können die Vielzahl von Rand-Kompensationszonen in Ab­ hängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen unterschiedliche Kompensationsgrade aufweisen, wodurch sich eine selektive An­ passung der Durchbruchsicherheit an lokale Gegebenheiten rea­ lisieren lässt.
Ferner kann die Randstruktur eine Übergangsstruktur aufwei­ sen, die sich von der restlichen Randstruktur unterscheidet, wodurch mittels geometrischer Änderungen in der Randstruktur eine optimale Anpassung an lokale Gegebenheiten ermöglicht wird.
Vorzugsweise besitzt die Übergangsstruktur eine Vielzahl von Kompensationszonen, die an die Kompensationszonen eines akti­ ven Bereichs des Halbleiterbauelements unter Ausnutzung von Nachbarwechselwirkungen angepasst sind. Insbesondere können die Rand-Kompensationszonen einen invertierten Kompensations­ grad zu den korrespondierenden Kompensationszonen der aktiven Struktur aufweisen. Ferner kann eine Vielzahl von schwebenden zweiten Rand-Kompensationsgebieten in der Übergangsstruktur ein invertiertes tiefenaufgelöstes Kompensationsprofil zu ih­ ren benachbarten Kompensationsgebieten in der aktiven Struk­ tur aufweisen. Auf diese Weise kann unter Verwendung von Zellnachbar-Wechselwirkungen bzw. einem vorliegenden Durch­ griff eine Randstruktur derart optimiert werden, dass sich auch in sich unmittelbar berührenden Zellen der aktiven Struktur und der Randstruktur verbesserte Durchbruchspannun­ gen ergeben.
Vorzugsweise kann eine Variation der Größe der Vielzahl von Kompensationszonen in einer x-, y- und z-Richtung gleichmäßig und/oder verschieden durchgeführt werden. Auf diese Weise lassen sich nicht nur Inhomogenitäten an einer Oberfläche des Wafers bzw. Chips in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfor­ dernissen optimal anpassen, sondern derartige Anpassungen auch in vertikaler Richtung beispielsweise auch unterhalb der aktiven Struktur realisieren. Eine Erhöhung der Durchbruch­ spannung ist somit im gesamten dreidimensionalen Bereich des Halbleiterbauelements möglich.
Vorzugsweise wird die Vielzahl von Rand-Kompensationszonen in x-, y- und z-Richtung mit und/oder ohne ein vorbestimmtes Raster ausgebildet, wodurch sich eine weitergehende flexible Anpassung an lokale Gegebenheiten zur Erhöhung der Durch­ bruchspannung in der Randstruktur realisieren lassen.
Vorzugsweise ist eine Gesamtdotierung im Bereich der Rand­ struktur geringer als in der aktiven Struktur, wodurch sich die erhöhte Durchbruchspannung besonders kostengünstig reali­ sieren lässt.
Ferner kann eine Grabenstruktur einen Teil der Dotierung in der Randstruktur entfernen, wodurch sich wiederum eine Ver­ besserung der Durchbruchspannung in der Randstruktur ergibt.
In den weiteren Ansprüchen sind weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer Randstruktur und einer aktiven Struktur in einem Kompensationsbauelement;
Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht zur Ver­ anschaulichung von möglichen Herstel­ lungsschritten der Randstruktur gemäß Fig. 1;
Fig. 3A bis 3C eine vereinfachte Schnittansicht, eine dazugehörige Nettodotierung, und eine da­ zugehörige elektrische Feldstärke einer Elementarzelle der Randstruktur zur Ver­ anschaulichung einer homogenen Feldstär­ ke;
Fig. 4A bis 4C eine vereinfachte Schnittansicht, eine dazugehörige Nettodotierung und eine da­ zugehörige elektrische Feldstärke einer Elementarzelle der Randstruktur zur Ver­ anschaulichung einer inhomogenen Feld­ stärke;
Fig. 5 eine vereinfachte Schnittansicht einer Elementarzelle der Randstruktur zur Ver­ anschaulichung einer lateralen Feldstär­ ke;
Fig. 6 ein Vektordiagramm der in der Randstruk­ tur auftretenden elektrischen Feldstär­ ken;
Fig. 7A bis 7B9 vereinfachte Draufsichten eines Kompensa­ tionsbauelements mit verschiedenen Rand­ strukturen gemäß ersten Ausführungsbei­ spielen;
Fig. 8 eine vereinfachte Schnittansicht einer Randstruktur und einer aktiven Struktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 eine grafische Darstellung der elektri­ schen Kompensationsfeldstärke für die ak­ tive Struktur und Randstruktur gemäß Fig. 8;
Fig. 10 eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Struktur und einer Randstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 11 eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Struktur und einer Randstruktur mit Übergangsstruktur gemäß einem weite­ ren Ausführungsbeispiel;
Fig. 12 eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Struktur und einer Randstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
Fig. 13 eine grafische Darstellung eines Kompen­ sationsgrades der Randstruktur gemäß Fig. 12 in z-Richtung.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Rand­ struktur RS mit erhöhter Durchbruchspannung für ein Kompensa­ tionsbauelement. Gemäß Fig. 1 befindet sich auf einem Halb­ leitersubstrat bzw. in einer zweiten Zone 1, welche vorzugs­ weise n+-dotiert ist, eine Vielzahl von Halbleiterschichten E1 bis E4, welche gemeinsam erste Kompensationsgebiete eines ersten Leitungstyps (z. B. n) ausbilden. Eine aktive Struktur AS des Kompensationsbauelements besteht hierbei aus einer Vielzahl von Kompensationszonen 4' zum Ausbilden eines säu­ lenförmigen zweiten Kompensationsgebiets 3', welches über ei­ ne pn-bildende Zone 7 vom zweiten Leitungstyp und eine erste Zone 6 vom ersten Leitungstyp an eine Sourceelektrode S ange­ schaltet ist. Ein Gateelektrode G realisiert hierbei einen eigentlich wirkenden Feldeffekttransistor zu einer nicht dar­ gestellten weiteren Säule des Kompensationsbauelements.
Bei Kompensationsbauelementen werden in der aktiven Struktur AS unter dem eigentlichen Feldeffekttransistor p- und n- Gebiete derart nebeneinander angeordnet bzw. ineinander ver­ schachtelt, dass sie sich im Sperrfall gegenseitig ausräumen können und dass im durchgeschalteten Zustand ein nicht unter­ brochener niederohmiger Leitungspfad von der Sourceelektrode S zu einer Drainelektrode D, die mit der zweiten Zone 1 in Verbindung steht, gegeben ist. Aus Gründen der Übersichtlich­ keit wird an dieser Stelle auf die Beschreibung von Kompensationsbauelementen beispielsweise in der Druckschrift DE 198 40 032 verwiesen.
Die vorliegende Erfindung nutzt nun diesen für aktive Bauele­ mente verwendeten Kompensationseffekt zur Realisierung von Randstrukturen mit erhöhter Durchbruchspannung, wie sie ins­ besondere zur Verbesserung von Randbereichen verwendet werden können. Gemäß Fig. 1 besteht die Randstruktur RS in gleicher Weise wie die aktive Struktur AS aus einer Vielzahl von zwei­ ten Rand-Kompensationsgebieten 3 vom zweiten Leitungstyp (beispielsweise p), die in den ersten Rand-Kompensations­ gebieten 2 durch eine Vielzahl von Rand-Kompensationszonen 4 derart ausgebildet sind, dass eine Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur RS geringer ist als eine Kompensationsfeld­ stärke in der aktiven Struktur AS des Kompensationsbauele­ ments. Insbesondere werden bei einer Spannung die unterhalb der Durchbruchspannung des Halbleiterbauelements liegt die Ladungsträger aus den zweiten Rand-Kompensationsgebieten 3 vollständig ausgeräumt. Die zweiten Rand-Kompensationsgebiete 3 bzw. die Rand-Kompensationszonen 4 sind hierbei schwebend bzw. floatend ausgebildet, d. h. nicht angeschlossen. Eine de­ taillierte Erläuterung der Wirkungsweise der jeweiligen Rand- Kompensationszonen 4 auf eine jeweilige Kompensationsfeld­ stärke in der Randstruktur wird nachfolgend anhand der Fig. 3 bis 6 erläutert.
Zunächst wird jedoch anhand von Fig. 2 ein Verfahren zur Herstellung der Randstruktur mit erhöhter Durchbruchspannung beschrieben.
Gemäß Fig. 2 sind auf einem n+-dotierten Halbleitersubstrat bzw. einer zweiten Zone 1 eine erste Halbleiterschicht E1 und eine zweite Halbleiterschicht E2 zur Ausbildung der ersten (Rand-)Kompensationsgebiete 2 bereits epitaktisch abgeschie­ den, wobei sich an der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht E1 und E2 bereits Kompensationszo­ nen 4 befinden. Zur Realisierung einer in Fig. 1 dargestellten Randstruktur wird demzufolge zunächst ein Substrat be­ reitgestellt und anschließend eine Vielzahl von Halbleiter­ schichten beispielsweise epitaktisch ausgebildet, wobei unter Verwendung einer jeweiligen Maske 5 eine Vielzahl von Kompen­ sationszonen 4 ausgebildet werden. Alternativ zu dem vorste­ hend beschriebenen Verfahren sind grundsätzlich auch andere Herstellungsverfahren möglich.
Vorzugsweise wird das zu strukturierende Volumen zunächst ho­ mogen mit einer Ladungssorte, beispielsweise mit Donatoren, dotiert (Hintergrunddotierung). Anschließend wird eine Maske 5 beispielsweise als Fotolack aufgebracht und derart struktu­ riert, dass sich an geeigneten Stellen Öffnungen ergeben. An den Stellen der Öffnungen werden nunmehr beispielsweise mit­ tels Ionen-Implantation (oder herkömmlicher Dotierung aus der Gasphase) beispielsweise Akzeptoren in die zweite Halbleiter­ schicht E2 eingebracht, wodurch sich zunächst relativ eng be­ grenzte Kompensationszonen an der Oberfläche ergeben. Ein Teil dieser Dotierstoffkonzentration wird hierbei nicht elek­ trisch aktiv, da er von der Hintergrunddotierung "intrin­ sisch" kompensiert wird. Dieser Teil muss demzufolge zur Er­ zielung einer gewünschten elektrisch aktiven Dotierung vor­ gehalten werden.
Der in Fig. 2 dargestellte Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine genügend dicke n-Multi-Epitaxieschicht mit eingela­ gerten zueinander justierten und übereinander gestapelten Kompensationszonen 4 vorliegt. In einem nachfolgenden Schritt können die derart hergestellten Rand-Kompensationszonen 4 derart ausdiffundiert (sozusagen aufgeblasen) werden, bis sich in der Randstruktur RS eine Kompensationsfeldstärke ein­ stellt, die geringer ist als eine Kompensationsfeldstärke in einem aktiven Bereich AS des Halbleiterbauelements. Bei Anle­ gen einer Spannung, die kleiner einer Durchbruchspannung ist, werden diese Gebiete bereits vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt. Da gemäß Fig. 2 die Randstruktur gemeinsam mit der aktiven Struktur bzw. dem Kompensationsbauelement ausgebildet werden kann, erfolgt eine thermische Ausdiffusion bei­ spielsweise solange, bis sich zumindest die Kompensationszo­ nen 4' in der aktiven Struktur zu einer welligen vertikalen Säule bzw. dem zweiten Kompensationsgebiet 3' zusammenschlie­ ßen. Die Kompensationszonen können jedoch auch voneinander getrennt sein. Bei geeigneter Dotierung bzw. Strukturierung der Kompensationszonen 4 in der Randstruktur RS derart, dass eine Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur RS geringer ist als eine Kompensationsfeldstärke in der aktiven Struktur AS, kann nunmehr eine verbesserte Durchbruchspannung in der Randstruktur RS auf einfache und kostengünstige Art und Weise hergestellt werden.
Hierbei gilt, dass die im gesperrten Zustand in der aktiven Struktur AS zwischen Source S und Drain D (vertikal) aufge­ nommene Spannung auch am Chiprand, dort aber vorwiegend in lateraler Richtung, abgebaut werden kann. Da Leistungsbauele­ mente oftmals bis in den Durchbruch betrieben werden, fließt, verursacht durch Stoßionisation ein sehr hoher Strom. Um das Bauteil demzufolge nicht zu zerstören, dürfen keine allzu ho­ hen Stromdichten auftreten, d. h. der Durchbruchstrom muss sich möglichst gleichmäßig über den Chip verteilen. Diese Forderung ist aber nur dann gegeben, wenn das Zellenfeld den größten Anteil dieses Stromes führt. Da die beispielsweise in einem Randbereich ausgebildete Randstruktur gemäß Fig. 1 ei­ ne höhere Durchbruchspannung aufweist als die aktive Struktur AS, können irreversible thermische Schädigungen des Halblei­ terbauelements zuverlässig verhindert werden. Da darüber hin­ aus insbesondere bei Anwendung der beschriebenen Randstruktur HS auf Kompensationsbauelemente die grundsätzliche Struktur vergleichbar ist zur aktiven Struktur, werden üblicherweise verwendete aufwendige oberflächenpositionierte oder oberflä­ chennahe Strukturen überflüssig, wodurch man eine durchbruch­ sichere Randstruktur auf besonders einfache und kostengünsti­ ge Weise erhält. Darüber hinaus sind mit der vorstehend be­ schriebenen Randstruktur RS auch tiefer liegende Halbleiter­ volumen vor Durchbruchphänomenen geschützt.
Fig. 3A zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Elemen­ tarzelle der Randstruktur, wobei zunächst von einem homogen verteilten zweiten Rand-Kompensationsgebiet 3 ausgegangen wird, welches sich in einem ersten bzw. zwischen zwei Rand- Kompensationsgebieten 2 befindet. Das Halbleitersubstrat 1 ist beispielsweise n+-dotiert, weshalb die ersten Rand- Kompensationsgebiete 2 eine n--Dotierung aufweisen und das zweite Rand-Kompensationsgebiet 3 eine p--Dotierung besitzt und beispielsweise in seinem oberflächennahen Bereich eine p+-Dotierung aufweist.
Eine zu Fig. 3A dazugehörige Nettodotierung ist in Fig. 3B dargestellt. Bei einer derartigen homogenen Dotierstoffver­ teilung im zweiten Rand-Kompensationsgebiet 3 ergibt sich ei­ ne im Wesentlichen homogene Feldstärke E0, die sich im We­ sentlichen einstellen würde, wenn die Dotierstoffe in x- und y-Richtung homogen verteilt wären. Die Folge ist eine quasi eindimensionale Feldstärke, die nur in z-Richtung variiert und in Fig. 3C dargestellt ist.
Fig. 4A zeigt nunmehr eine vereinfachte Schnittansicht einer Elementarzelle der Randstruktur mit vertikalen Inhomogenitä­ ten, wie sie üblicherweise durch die Vielzahl von Rand- Kompensationszonen 4 hervorgerufen werden. Gleiche Bezugszei­ chen bezeichnen wiederum gleiche oder ähnliche Schichten bzw. Elemente, weshalb auf eine detaillierte Beschreibung nachfol­ gend verzichtet wird.
Gemäß Fig. 4A besteht das zweite Rand-Kompensationsgebiet 3 nunmehr aus einer Vielzahl von Rand-Kompensationszonen 4 mit unterschiedlich starker Dotierung (p-, p+). Eine dazugehörige gestörte Netto-Dotierung ist in Fig. 4B dargestellt. Der Einfluss der vertikalen Inhomogenität (z-Richtung) innerhalb des zweiten Rand-Kompensationsgebietes 3 kann mittels eines vertikal gerichteten Störfeldes Ev beschrieben werden, das sich dem vorstehend beschriebenen quasi eindimensionalen ebenfalls vertikal gerichteten homogenen Feld E0 überlagert.
Fig. 4C zeigt eine vereinfachte Darstellung der gestörten Feldstärke, die sich aus dieser Überlagerung der Feldstärken E0 und Ev ergibt.
Darüber hinaus zeigt Fig. 5 eine vereinfachte Schnittansicht einer Elementarzelle der Randstruktur zur Veranschaulichung eines lateralen Feldes Etr, wobei gleiche Bezugszeichen wie­ derum gleiche oder ähnliche Schichten bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Fig. 5 entsteht neben den vorstehend beschriebenen vertikalen Feldern auch ein laterales Feld Etr, das sich dem quasi eindimensionalen Feld E0 sowie dem vertikalen Feld Ev ebenfalls überlagert. Dieses laterale Feld Etr ergibt sich im Wesentlichen aus dem gegenseitigen Ausräumen der Ladungen in den lateral angeordneten Kompensationsgebieten.
Fig. 6 zeigt ein Vektordiagramm der in den Fig. 3 bis 5 beschriebenen Feldstärken, wobei eine gesamte Feldstärke Etot sich als Summe der Feldstärken E0, Etr und Ev ergibt. Mit Ec wird nunmehr eine Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur bezeichnet, die sich im Wesentlichen aus der vertikalen Feld­ stärke Ev und der lateralen Feldstärke Etr ergibt. Demzufolge gilt:
Etot = E0 + Ec
Da sich eine derartige Kompensationsfeldstärke Ec nicht nur in der Randstruktur, sondern auch im aktiven Bereich des Halbleiterbauelements bestimmen lässt, kann die Randstruktur bei geeigneter Dimensionierung der Rand-Kompensationszonen 4 unter Ausnutzung der vorstehend beschriebenen physikalischen Grundsätze nunmehr derart angepasst werden, dass eine Durch­ bruchspannung in der Randstruktur grundsätzlich höher ist als in der aktiven Struktur.
Die Idee kann nun einerseits darin bestehen, dass in der Randstruktur die vertikale Komponente des elektrischen Feldes und damit die vertikale Welligkeit des Kompensationsprofils reduziert wird, wodurch sich eine quasi-intrinsische Rand­ struktur ergibt. Hierbei wird eine Zellstruktur (z. B. hexago­ nal, streifenförmig, . . .) bis an den Chiprand erhalten, wo­ durch sich Feldstärkespitzen infolge schlecht kompensierter Bereiche vermeiden lassen. Andererseits kann jedoch auch eine laterale Komponente des elektrischen Feldes reduziert werden.
Fig. 7A zeigt eine Draufsicht eines Kompensationsbauelements mit erfindungsgemäßer Randstruktur gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen hierbei glei­ che oder ähnliche Elemente, weshalb auf eine wiederholte Be­ schreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Fig. 7A besteht das Kompensationsbauelement aus einem Hauptelement HE bzw. einer eigentlich aktiven Struktur mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten beispielsweise hexagonalen Zellstrukturen. Jede hexagonale Zellstruktur be­ sitzt hierbei ein erstes Kompensationsgebiet 2' und ein darin ausgebildetes zweites Kompensationsgebiet 3, welches aus ei­ ner Vielzahl von Kompensationszonen 4' besteht.
Zur Realisierung eines Randbereichs RB wird gemäß Fig. 7A die hexagonale Zellstruktur der aktiven Struktur bzw. des Hauptelements HE bis zum Chiprand im Wesentlichen fortge­ setzt, wobei jedoch die Rand-Kompensationszonen 4 in der den Randbereich RB realisierenden Randstruktur ringförmig ausge­ bildet sind. Auf Grund der ringförmigen Struktur der einzel­ nen Rand-Kompensationszonen 4 verringert sich wegen der vor­ stehend beschriebenen Zusammenhänge die Kompensationsfeld­ stärke in der Randstruktur bzw. dem Randbereich RB gegenüber einer Kompensationsfeldstärke in der aktiven Struktur bzw. im Hauptelement HE, wodurch eine Durchbruchspannung erhöht wird. Da darüber hinaus für die Randstruktur im Wesentlichen eine Fortsetzung der Zellstruktur im Hauptelement HE erfolgt, er­ geben sich keine Überlappungen an einer Schnittstelle zwi­ schen Randbereich RB und Hauptelement HE, wodurch gefährliche Feldstärkespitzen zuverlässig verhindert werden können.
Gemäß Fig. 7A lassen sich bei Verwendung von derartigen Randstrukturen auf einfache Weise auch Nebenelemente NE wie beispielsweise Stromsensoren integrieren. Neben dem eigentli­ chen Hauptelement HE bzw. Leistungszellenfeld wird demzufolge ein Nebenelement bzw. Sensorfeld NE geschaffen, wobei die Struktur der Einzelzellen in beiden Bereichen identisch ist. Das Nebenelement NE ist also nichts anderes als ein zweites Hauptelement HE auf dem gleichen Chip, wobei allerdings die Zellenanzahl NSensor im allgemeinen sehr viel kleiner ist als die des eigentlichen Leistungsteils NLeistung. Die beiden Zel­ lenfelder haben eine gemeinsame Drain- und Gateansteuerung. Auch die beiden Sourceansteuerungen liegen weitestgehend auf gleichem Potential (Masse), sind aber elektrisch voneinander getrennt, so dass sie als solches auch von Außen her getrennt genutzt werden können. Mit der so geschaffenen Konstellation wird das ausgekoppelte Stromverhältnis VI = ISensor/ILeistung rep­ räsentiert durch das Verhältnis VN der Zellenzahl in den bei­ den Bereichen (VN = NSensor/NLeistung). Durch Messung von ISensor kann somit der Strom im Leistungsteil ausgelesen werden:
ILeistung = VN -1.ISensor.
Dies ist eine sehr einfache aber effektive Methode, den Leis­ tungsstrom zu messen ohne die eigentliche Schaltung zu beein­ flussen. Da jedoch die Zuverlässigkeit der vorstehend be­ schriebenen Gleichung stark von Randeinflüssen abhängt, muss das Sensor- bzw. Nebenelement NE zuverlässig vom Hauptelement HE getrennt werden.
Gemäß Fig. 7A dient hierzu wiederum eine Randstruktur, die als Zwischenbereich ZB zwischen dem Hauptelement HE und dem Nebenelement NE angeordnet ist und beispielsweise in gleicher Weise aufgebaut ist wie der Randbereich RB. Der durch die Randstruktur realisierte Zwischenbereich ZB wirkt demzufolge für Ladungsträger wie eine weitgehend undurchdringliche Wand, wodurch der Pfad für Ladungsträgerleitung auf das Volumen un­ ter dem Sensorzellenfeld beschränkt ist und daher eine sehr exakte Erfassung des im Hauptelement HE fließenden Stromes ILeistung ermöglicht.
Das vorstehend beschriebene Sensorrandkonzept ist allgemein für beliebige Sensorbauteile anwendbar. Da es aber eine Bear­ beitung des tiefliegenden Halbleitervolumens voraussetzt, ist es für konventionelle Bauteile sehr kostenintensiv. Anders stellt sich dies natürlich für die vorstehend beschriebenen Kompensationsbauelemente dar, wo ohnehin das tiefliegende Vo­ lumen bearbeitet werden muss und somit die Herstellung des Sensorrandunterbaus im gleichen Arbeitsschritt erfolgen kann.
Gemäß Fig. 7A werden die Rand-Kompensationszonen in der Randstruktur ringförmig ausgebildet, wobei sie vorzugsweise eine kreisringförmige Fläche aufweisen, die konzentrisch in eine jeweilige Zellenstruktur eingepasst ist. Alternativ kom­ men jedoch alle möglichen ringförmigen Strukturen für das zweite Rand-Kompensationsgebiet 3 bzw. die entsprechenden Rand-Kompensationszonen 4 in Betracht und insbesondere ring­ förmige Vielecke wie z. B. Dreieck, Viereck, Fünfeck, Sechs­ eck, usw. Der Vorteil einer derartigen ringförmigen Struktur besteht insbesondere darin, dass nach der thermischen Ausdif­ fusion eine Umfangslinie bzw. Weite für die so entstandenen Rand-Kompensationszonen 4 bzw. zweiten Rand- Kompensationsgebiete 3 der Randstruktur RS wesentlich größer ist als für die entsprechenden Kompensationszonen 4' der ak­ tiven Struktur AS bzw. des Hauptelements HE.
Eine Zelle in der Randstruktur bzw. dem Randbereich RB oder Zwischenbereich ZB hat vom Lateralprofil der Ladungspolarität her gesehen etwa eine invertierte Struktur verglichen mit ei­ ner Zelle im aktiven Bereich bzw. Hauptelement HE. Grundsätzlich kann die Implantation bzw. Dotierung der Rand- Kompensationszonen 4 in der Randstruktur über eine beliebige Maskenstruktur erfolgen, solange nur nach Prozessende die Symmetrie der aktiven Zelle bzw. einer Zelle im Hauptelement auch für den Randbereich RB oder Zwischenbereich ZB konser­ viert wird und die Umfangslinie des kompensations-dominierten Bereichs innerhalb der Randstruktur gegenüber dem aktiven Be­ reich zunimmt.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die in Fig. 7A darge­ stellten Zellen beschränkt, sondern umfasst in gleicher Weise Streifenzellen oder Kombinationen davon. Die Erfindung gilt demzufolge für beliebige Anordnungen von Kompensationsgebie­ ten, sofern wiederum die Kompensationsfeldstärke im Randbe­ reich kleiner ist als in der aktiven Struktur des Halbleiter­ bauelements.
Nachfolgend sind einige Ausführungsbeispiele für die Anwen­ dung der Erfindung bei streifenförmiger Anordnung der Kompen­ sationsgebiete dargestellt.
In den Fig. 7B1 und 7B2 sind vereinfachte Draufsichten von Ausführungsbeispielen dargestellt, wobei eine Streifenbreite und -Abstand im Randbereich RB kleiner ausgelegt als im akti­ ven Teil bzw. Hauptelement HE des Bauelements. Dadurch redu­ ziert sich die Querfeldkomponente des Kompensationsfeldes. Das Prinzip des Streifenlayouts bleibt aber auch im Randbe­ reich enthalten.
Gemäß Fig. 7B3 und 7B4 wird bei einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel im Randbereich RB anstelle des Streifenlayouts ein Rasterlayout gewählt, wobei das Kompensationsfeld auch hier wieder kleiner ausgelegt wird als im aktiven Teil des Bauelements.
Fig. 7B5 zeigt eine vereinfachte Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels. Da es im Übergangsbereich zwischen den schmalen Streifenenden und den Streifenseiten (also z. B. nahe der Ecke des aktiven Baulementbereichs) zu Feldüberhöhungen aufgrund des Symmetriebruchs an dieser Stelle kommt, kann es sinnvoll sein, das Kompensationsfeld in diesem Bereich nicht durch Streifen sondern durch ein Rasterlayout abzusenken. Ein Raster hat den Vorteil, dass Feldspitzen an den Ecken durch geeignete Lage der Kompensationsgebiete besser ausgeglichen werden können, als dies mit Streifen möglich wäre.
Fig. 7B6 und 7B7 zeigt eine Draufsicht von weiteren Aus­ führungsbeispielen, wobei ein Hauptelement HE mit Streifen­ layout im aktiven Teil des Bauelements und eine Randstruktur bzw. ein Randbereich RB mit gleichmäßiger Verteilung der Do­ tierstoffe vorliegt. Die Dotierung kann dabei sehr schwach n, sehr schwach p oder tatsächlich intrinsisch sein. In allen drei Fällen ist das Kompensationsfeld null.
Ferner muss bei den weiteren Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 7B8 und 7B9 auch ein Streifenlayout im Randbereich RB nicht notwendigerweise homogen in vertikaler Richtung zu sein. So ist es zum Beispiel möglich, im oberen Bereich des Randbereichs ein anderes Streifenraster als im unteren Be­ reich zu wählen (Fig. 7B8), oder nur den oberen (oder unte­ ren) Teil des Randbereichs im Streifenlayout zu erstellen und den anderen Teil mit einem Rasterlayout (Fig. 7B9) zu verse­ hen.
Auch beim Streifenlayout sind alle Kombinationen aller ge­ nannten Layouts des Randbereichs möglich, solange dadurch das Kompensationsfeld unter den Wert zu senken, der in der akti­ ven Struktur des Bauelements erreicht wird.
Insbesondere lässt sich durch beispielsweise ringförmig aus­ gebildete Rand-Kompensationszonen 4 die Durchbruchspannung im Randbereich RB wesentlich erhöhen, wobei darüber hinaus in einem Zwischenbereich ZB zu beispielsweise einem Sensorele­ ment bzw. Nebenelement NE sogenannte obere Gießkanneneffekte wirksam bekämpft werden können. Grenzen nämlich mehrere sol­ cher Randstrukturzellen in einem Zwischenbereich ZB aneinan­ der, so bilden sie für Elektronen, die in einer benachbarten aktiven Zelle geführt werden, eine durchgängige p-lastige al­ so quasi-undurchdringliche Wand.
Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen oberen Gießkannen­ effekt kann jedoch auch ein sogenannter "tiefer Gießkannenef­ fekt" auftreten.
Ladungsträger, die sich im Sensorelement bzw. Nebenelement NE nahe der Randstruktur Richtung Substrat bewegen, können, so­ bald sie das untere Ende des Säulenaufbaus erreicht haben, lateral in das senkrecht unter der Randstruktur liegende Vo­ lumen fließen. Damit vergrößert sich aber der effektive Leis­ tungsquerschnitt FQ des Sensors. Die Gleichung
ILeistung = VF -1.ISensor
mit
VF = aktive Fläche FSensor des Sensors in Draufsicht/­ aktive Fläche FLeistung des Leistungsteils in Draufsicht
ist wegen FQ ungleich FSensor nicht mehr gültig.
Der tiefe Gießkanneneffekt kann nur schwer verhindert werden, da aus fertigungstechnischer Sicht das tiefliegende Volumen oft nicht bearbeitbar ist. Es besteht jedoch die Möglichkeit, im oberen Volumen des Nebenelements NE den Strompfad weiter einzugrenzen, als dies durch FSensor vorgegeben wird. Dadurch kann ein Ausgleich zum tiefen Gießkanneneffekt geschaffen werden. Für einen Ausgleich zum tiefen Gießkanneneffekt wäre deshalb beispielsweise denkbar, dass die Randstruktur des Ne­ benelements NE in der untersten Ebene weiter in Richtung ak­ tives Sensorgebiet versetzt wird, als dies in höher gelegenen Ebenen der Fall ist. Während also im oberen Teil des Sensors die Randstruktur einen Stromleitquerschnitt vorgibt, der identisch zu FSensor ist, wird der Strompfad in der untersten Ebene auf eine Fläche kleiner FSensor eingegrenzt. Die Strom­ einschnürung muss natürlich nicht notgedrungen in der unters­ ten Ebene stattfinden, sie kann auch in einer höher liegenden Ebene erfolgen, oder aber sie wird auf mehreren Ebenen ver­ teilt, wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird.
Fig. 8 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Rand­ struktur RS und einer aktiven Struktur AS gemäß einem weite­ ren Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Schichten bzw. Elemente bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Fig. 8 besteht eine Elementarzelle in einer aktiven Struktur AS aus sechs übereinander liegenden Kompensationszo­ nen 4', die gemeinsam ein säulenförmiges Kompensationsgebiet 3' vom zweiten Leitungstyp (z. B. p) realisieren. Demgegenüber besteht gemäß Fig. 8 eine Elementarzelle der Randstruktur RS aus sechs sehr schmalen Rand-Kompensationszonen 4 in einem oberen Bereich I und sechs weiteren Rand-Kompensationszonen 4 in einem Bereich II, die lediglich eine halbe laterale Struk­ turbreite der Zonen im Bereich I aufweisen, jedoch ansonsten eine gleiche Breite wie die Kompensationszonen 4' in der ak­ tiven Struktur AS aufweisen. Gemäß Fig. 8 kann demzufolge eine Variation der Größe der Vielzahl von Rand- Kompensationszonen 4 in einer x-, einer y- und einer z- Richtung gleichmäßig aber auch unterschiedlich erfolgen, wo­ durch wiederum eine Durchbruchsicherheit im Randbereich oder Zwischenbereich erhöht werden kann.
Zur Verdeutlichung der Auswirkungen der in Fig. 8 darge­ stellten Randstruktur RS wird nachfolgend ein in Fig. 9 dar­ gestellter elektrischer Feldverlauf über eine Bauelementetie­ fe z diskutiert.
Mit AS ist hierbei eine jeweilige Kurve der elektrischen Kom­ pensationsfeldstärke EC bei einer vorbestimmten Bauelement­ tiefe z dargestellt, die in der aktiven Struktur vorherrscht. In gleicher Weise bezeichnet RS eine jeweilige Kurve der e­ lektrischen Kompensationsfeldstärke EC bei einer vorbestimm­ ten Bauelementtiefe z, die in der Randstruktur vorherrscht.
Gemäß Fig. 9 ergibt sich demzufolge aufgrund der Verdoppe­ lung der Kompensationszonen eine Halbierung der Wellenlänge (bzw. Verdoppelung der Welligkeit), wobei sowohl die Wellen­ maxima als auch -minima des resultierenden Feldstärkeverlaufs reduziert sind. Demzufolge erhält man im Bereich I aufgrund der vertikalen Strukturierung eine gegenüber der aktiven Struktur verbesserte Durchbruchspannung. In ähnlicher Weise erhöht sich auch die Durchbruchspannung im Bereich II auf­ grund der lateralen Strukturierung. Durch die laterale Auf­ teilung verringern sich die vorstehend beschriebene lateralen Feldkomponenten wodurch sich wiederum die Wellenmaxima und - minima des resultierenden Feldstärkeverlaufs bei gleichblei­ bender Wellenanzahl verringern.
Gemäß Fig. 8 sind die Rand-Kompensationszonen 4 nur in be­ stimmten Bereichen I und II einer z-Richtung an jeweilige An­ forderungen angepasst. Eine derartige Anpassung kann jedoch auch in einer x- und y-Richtung erfolgen.
Ferner sind die Vielzahl von Rand-Kompensationszonen 4 sowohl in x-, y- und z-Richtung gemäß Fig. 8 in einem vorbestimmten Raster ausgebildet. Es kann jedoch auch in jeder dieser Rich­ tungen zumindest teilweise eine (nicht dargestellte) Auflö­ sung des Rasters erfolgen, wodurch sich weitere flexible An­ passungen zur Reduzierung einer Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur RS realisieren lassen. Beispielsweise können in einer oder mehreren Aufbauebenen die jeweiligen Kompensa­ tionszonen so angeordnet werden, dass ein Raster beispiels­ weise in z-Richtung nicht mehr vorhanden ist. In gleicher Weise kann eine derartige Auflösung eines Rasters auch in x- und y-Richtung erfolgen und Mischformen mit einer Rasterauf­ lösung in z-Richtung durchgeführt werden, wodurch sich drei weitere Reduzierungen einer Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur ergeben können. Bei Spannungen, die unterhalb der Durchbruchspannung liegen ergibt sich hierbei ein voll­ ständiges Ausräumen der Ladungtsträger insbesondere aus den Rand-Kompensationsgebieten 3.
Gemäß Fig. 8 ergibt sich eine Reduzierung der elektrischen Kompensationsfeldstärke in der Randstruktur durch eine Ver­ kleinerung der Abstände bzw. Verringerung der Schichtdicken für die Kompensationszonen 4. Es kann jedoch in gleicher Wei­ se auch für die gesamte Randstruktur RS eine geringere Ge­ samtdotierung als für die aktive Struktur AS des Halbleiter­ bauelements verwendet werden. Ferner kann eine Absenkung der elektrischen Kompensationsfeldstärke auch dadurch erreicht werden, dass in der Randstruktur RS eine (nicht dargestellte) Grabenstruktur ausgebildet wird, die einen Teil der Dotierung in der Randstruktur RS entfernt. Wiederum ergibt sich dadurch eine erhöhte Durchbruchsfestigkeit der Randstruktur.
Fig. 10 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Struktur und einer Randstruktur gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel, wobei eine vorstehend beschriebene Mischform zwischen gleich großen und unterschiedlich großen Kompensati­ onszonen 4 bei gleichem Raster dargestellt ist.
Gemäß Fig. 10 besitzt ein Tiefenaufbau der Randstruktur RS nunmehr fünf verschiedene Bereiche, in denen die Kompensati­ onszonen 4 derart ausgebildet sind, dass eine Kompensations­ feldstärke EC in der Randstruktur RS kleiner ist als eine Kompensationsfeldstärke in der aktiven Struktur AS. Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass die in den vorstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispielen jeweiligen Rand- Kompensationszonen 4 jeweils unterschiedliche Kompensations­ grade K aufweisen, die sich beispielsweise durch

(p-Dotierung - n-Dotierung)/n-Dotierung
ergeben.
Fig. 11 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Struktur AS und einer Randstruktur RS mit einer Übergangs­ struktur ÜS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen wiederum gleiche oder entsprechende Elemente bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Zur weiteren Anpassung der Randstruktur RS an eine jeweilige aktive Struktur AS kann demzufolge die Randstruktur RS am di­ rekten Übergang zur aktiven Struktur AS eine Übergangsstruk­ tur ÜS aufweisen, die sich von der restlichen Randstruktur RS unterscheidet. Gemäß Fig. 11 besitzt die Übergangsstruktur ÜS ein an die aktive Struktur AS angepasstes spezielles Tie­ fenprofil mit unterschiedlich dimensionierten Rand- Kompensationszonen 4, während die restliche Randstruktur je­ weils aus gleichen Elementarzellen mit beispielsweise gleich­ förmigen Rand-Kompensationszonen 4 besteht. Der Nachteil ei­ nes Wechsels in der Zellstruktur besteht nämlich darin, dass am Übergang zwischen beispielsweise einer aktiven Struktur AS und einer Randstruktur RS Inhomogenitäten infolge von Nach­ barwechselwirkungen auftreten, die zu Frühdurchbrüchen, Schwingungserscheinungen in dynamischen Schaltungen oder strommäßigen Überbelastungen solcher Orte führen können.
Bei zueinander symmetrischen Zellen ist der elektrische Über­ gang identisch mit der geometrischen Trennebene, fällt also exakt mit der Symmetrieebene zusammen, wie sie in Fig. 11 zwischen den beiden rechten Rand-Kompensationsgebieten 3 auf­ tritt. Beim Übergang zwischen zueinander nicht symmetrischen Zellen wie z. B. zwischen der Zelle der aktiven Struktur AS und der Zelle der Übergangsstruktur ÜS ist dies anders. Der elektrische Übergang fällt hierbei nicht mit der Zelltrenn­ ebene zusammen, sondern die Spiegelladungen zum zweiten Rand- Kompensationsgebiet 3 werden zum Teil an Orten gefunden, die geometrisch eigentlich der Nachbarzelle zuzuordnen sind. Es handelt sich also hierbei um einen Durchgriff zum Nachbarn. Ein derartiger Durchgriff erhöht immer die Feldstärke. Mit einer solchen Inhomogenitätsstelle kann es also zu Feldspit­ zen kommen, welche zu den oben genannten Phänomenen führen.
Gemäß Fig. 11 können derartige Zellnachbar-Wechselwirkungen bzw. Durchgriffe zum Nachbarn durch sogenannte Übergangs­ strukturen ÜS in der Randstruktur verhindert bzw. abge­ schwächt werden, wobei die jeweiligen Kompensationszonen der­ art angepasst werden, dass sich wiederum eine minimale elekt­ rische Kompensationsfeldstärke einstellt und Feldspitzen ver­ hindert werden, wobei sich ein vollständiges Ausräumen von Ladungsträgern in den Kompensationsgebieten vor Erreichen der Durchbruchspannung einstellt.
Jede von einer symmetrischen Zellauslegung abweichende Do­ tierstoffverteilung geht in die Ausprägung des sogenannten Nachbardurchgriffs ein. Der Gesamt-Kompensationsgrad kges ei­ ner Zelle ist definiert als
kges = {2.[(Anzahl n-Ladungen) - (Anzahl p-Ladungen)]}/ [(Anzahl n-Ladungen) + (Anzahl p-Ladungen)]
im spannungsaufnehmenden Volumen für eine Zelle. Dabei gehen in die Aufsummierung nur diejenigen Ladungen ein, die der je­ weiligen Zelle geometrisch zugeordnet werden (es gilt also nicht die elektrisch korrekte Zuordnung, in der ein Durch­ griff berücksichtigt wäre).
k kann auch tiefenaufgelöst angegeben werden:
k(z) = {2.[(Anzahl n-Ladungen) - (Anzahl p-Ladungen)]}/ [(Anzahl n-Ladungen) + (Anzahl p-Ladungen)]
in der Tiefe z mit der Schichtdicke dz.
Ferner gilt kges = Integralgesamte spannunsaufnehmende Tiefe über (k(z)dz)
Üblicherweise ist k(z) variabel gehalten:
  • a) Zum einen geht hier ein parasitärer Effekt ein, der sich aus der welligen Struktur des zweiten Rand- Kompensationsgebietes 3 ergibt. Infolge der Welligkeit nimmt die gesperrte Spannung drastisch ab gegenüber einem geglätte­ ten Profil.
  • b) Andererseits wird dem zweiten Rand-Kompensationsgebiet üblicherweise ein Dotiergradient aufgeprägt (variables Tie­ fendotierprofil), welcher im Zusammenwirken mit der homogenen Hintergrunddotierung einen bei negativen Werten beginnenden und mit z stetig ansteigenden tiefenaufgelösten Kompensati­ onsgrad bewirkt. Mit dieser Methode erreicht man, dass das elektrische Feld seinen höchsten Wert vorzugsweise auf halber Höhe des spannungsaufnehmenden Volumens erreicht. Der Durch­ bruch wird also an diesen Ort verlegt (dachförmiger E-Feld- Verlauf)(siehe auch Fig. 9). Damit ergibt sich im Durchbruch eine stabilisierende Wirkung, da auf Grund der dynamischen Dotierung (Kirk-Effekt) der Durchbruch gleichmäßig über viele Kompensationszonen verteilt wird und sich dadurch die Robust­ heit der Randstruktur verbessert.
Fig. 12 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Struktur AS mit einer Übergangsstruktur ÜS gemäß einem weite­ ren Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Schichten bzw. Elemente wie in den vorhergehen­ den Ausführungsbeispielen bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Fig. 12 besitzt eine Zelle in der aktiven Struktur AS sechs Kompensationszonen 4' mit unterschiedlichen Kompensati­ onsgraden von +30% bis -20%. Gemäß Fig. 12 kann nunmehr eine Übergangsstruktur ÜS einen Übergang von zwei unterschiedlichen Zellkonzepten, (welcher über Nachbardurchgriff tenden­ ziell zu verfrühten Durchbrüchen führt) spannungsmäßig derart entschärfen, dass eine Robustheit einer entsprechend ausge­ legten Randstruktur verbessert ist. Trennt diese Übergangs­ struktur eine aktive Struktur AS von beispielsweise einem Randbereich oder auch von einem Gatepadunterbau, so erreicht man damit, dass der Durchbruch von den Zellen der Übergangs­ struktur weg in das Zellenfeld der aktiven Struktur AS ver­ legt wird, wo er sich gleichmäßig verteilen kann. Dies be­ wirkt in der Regel, dass die Stromtragfähigkeit im Durch­ bruchsverhalten stark zunimmt.
Zur spannungsmäßigen Stabilisierung einer solchen Übergangs­ struktur wird nunmehr der Nachbardurchgriff gezielt genutzt:
In der Regel unterscheiden sich die beiden an einem Übergang beteiligten Zellen in ihrer Durchbruchspannung UBV. Diejenige Zelle mit niedrigerem UBV werde im Folgenden mit Durchbruchs­ zelle bezeichnet, die zweite hingegen mit Stabilisierungszel­ le bzw. Zelle der Übergangsstruktur. Es wird nun vorgeschla­ gen, die Durchbruchs- und Stabilisierungszelle nicht, wie bisher üblich, mit gleichem oder sehr ähnlichem Kompensati­ onsprofil k(z) auszustatten, sondern beide Zellen zu einer Einheit zusammenzulegen, welche ein weitestgehend homogenes k-Profil aufweist. Vorteilhafterweise wird hierbei k(z) = 0 an­ gestrebt.
Hierzu wird mindestens eine Stabilisierungszelle bzw. Zelle in der Übergangsstruktur ÜS im tiefenaufgelösten Kompensati­ onsprofil polaritätsmäßig invertiert gegenüber der Durch­ bruchzelle bzw. der Zelle der aktiven Struktur AS. Gemäß Fig. 12 besitzen demnach die Rand-Kompensationszonen 4 der Zelle der Übergangsstruktur ÜS die invertierten Kompensati­ onsgrade der benachbarten Zelle der aktiven Struktur AS. Ge­ nauer gesagt variieren die Rand-Kompensationszonen 4 vom o­ berflächennahen Bereich zum Substrat 1 hin von -30% bis +20%. Die Summe mit k(z) für einen jeweiligen Übergangsbereich von der aktiven Struktur zur Randstruktur RS ergibt sich demzu­ folge zu:
k(z) + ks(z) ≈ 0.
Von Welligkeitserscheinungen wird bei dieser Betrachtung ab­ gesehen, da sie sich nur schwer beeinflussen lassen und die genannte Stabilisierungswirkung nicht beeinflussen.
Betrachtet man nun die Durchbruchszelle und die Stabilisie­ rungszelle mit deren Nachbarwechselwirkungen aufeinander als Einheit (wobei eigentlich alle Nachbarn der Stabilisierungs­ zelle mit einbezogen werden müssten), so ergibt sich ein na­ hezu homogenes Tiefendotierprofil. Das elektrische Feld in­ nerhalb dieser Einheit zeigt einen waagrechten Verlauf mit der Tiefe z, was somit insbesondere für den Zellkonzeptüber­ gang bedeutet, dass die Durchbruchspannung massiv gesteigert wird.
Technologisch kann eine derartige Übergangsstruktur ÜS bei­ spielsweise dadurch erreicht werden, dass die Implantations­ öffnungen in den einzelnen Halbleiterschichten E1 bis En für die Stabilisierungszellen bzw. Zellen der Übergangsstruktur ÜS von oben nach unten immer größer werden, während für alle anderen Zellen (z. B. der aktiven Struktur AS) der gegenläufi­ ge Trend gilt. Implantiert wird dann in jeder Halbleiter­ schichtebene mit gleicher, an die Hintergrunddotierung und die Implantationsöffnungen angepasster Dosis.
Demzufolge kann ein tiefenaufgelöstes Kompensationsprofil der Vielzahl von schwebenden zweiten Rand-Kompensationsgebieten 3 in der Übergangsstruktur ÜS an die Nachbarzellen angepasst werden, wobei vorzugsweise eine Invertierung des Kompensati­ onsprofils bzw. der jeweiligen Kompensationsgrade durchge­ führt wird.
Fig. 13 zeigt eine grafische Darstellung eines tiefenaufge­ lösten Kompensationsprofils für eine jeweilige Zelle in einer aktiven Struktur AS und einer Zelle der vorstehend beschrie­ benen Übergangsstruktur ÜS.
Gemäß Fig. 12 wurde nur eine Zellreihe als Stabilisierungs­ struktur bzw. Übergangsstruktur ÜS in der Randstruktur RS be­ schrieben. Es lassen sich jedoch auch mehrere Zellen hinter einer jeweiligen Schwachstelle entsprechend anpassen, wobei sich die Übergangsstruktur ÜS in der Randstruktur in zweiter bis n-ter Ordnung fortsetzt. Auf diese Weise können auch Wechselwirkungen zweiter bis n-ter Ordnung für die übernächs­ ten usw. Nachbarn einer Übergangsstruktur ÜS positiv beein­ flusst werden. Auf diese Weise kann nicht nur die unmittelba­ re Schwachstelle, sondern ein ganzer Bereich im näheren Um­ feld stabilisiert werden, wodurch sich eine kontinuierliche Verbesserung der Durchbruchsfestigkeit in der Randstruktur realisieren lässt.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wurde insbesondere an­ hand von Kompensationsbauelementen beschrieben. Sie ist je­ doch nicht darauf beschränkt, sondern umfasst in gleicher Weise Leistungsbauelemente oder irgendwelche Halbleiterbau­ elemente, in denen durchbruchsichere Randstrukturen benötigt werden. In gleicher Weise beschränkt sich die vorliegende Er­ findung nicht auf die beschriebenen p- und n-Dotierungen in einem Si-Halbleitersubstrat, sondern bezieht sich in gleicher Weise auf entsprechende Dotierprofile und alternative Halb­ leitermaterialien.

Claims (24)

1. Halbleiterbauelement mit einer aktiven Struktur (AS),
die einen sperrenden pn-Übergang in einem Halbleitersubstrat (1) aufweist, mit
einer ersten Zone (6) eines ersten Leitungstyps, die mit ei­ ner ersten Elektrode (S) verbunden ist und an eine den sper­ renden pn-Übergang bildende Zone (7) eines zweiten, zum ers­ ten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angrenzt, die ebenfalls mit der ersten Elektrode (S) verbunden ist, und mit einer zweiten Zone (1) des ersten Leitungstyps, die mit einer zweiten Elektrode (D) verbunden ist, wobei im Bereich zwi­ schen der ersten Zone (7) und der zweiten Zone (1) erste und zweite Kompensationsgebiete (2', 3') des ersten und zweiten Leitungstyps ineinander verschachtelt sind
gekennzeichnet durch
eine Randstruktur (RS) mit
einer Vielzahl von ersten Rand-Kompensationsgebieten (2) des ersten Leitungstyps (n); und
einer Vielzahl von schwebenden zweiten Rand- Kompensationsgebieten (3) des zweiten Leitungstyps (p), die eine Vielzahl von Rand-Kompensationszonen (4) aufweisen und mit den ersten Rand-Kompensationsgebieten (2) derart ver­ schachtelt sind, dass die zweiten Rand-Kompensationsgebiete (3) vor Erreichen einer Durchbruchspannung vollständig von Ladungsträgern ausgeräumt werden und eine Kompensationsfeld­ stärke (Es) in der Randstruktur (RS) geringer ist als eine Kompensationsfeldstärke in einem aktiven Bereich (AS) des Halbleiterbauelements.
2. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kompensationsbauelement darstellt.
3. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rand­ struktur (RS) einen Randbereich (RB) des Halbleiterbauele­ ments darstellt.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rand­ struktur (RS) einen Zwischenbereich (ZB) zwischen einem Hauptelement (HE) und einem Nebenelement (NE) des Halbleiter­ bauelements darstellt.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rand­ struktur (RS) eine Zellenstruktur aufweist, die im Wesentli­ chen einer Zellenstruktur der aktiven Struktur (AS) des Halb­ leiterbauelements entspricht.
6. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zel­ lenstruktur im Wesentlichen ein Vieleck darstellt.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von Rand-Kompensationszonen (4) ringförmig ausgebildet sind.
8. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von Rand-Kompensationszonen (4) ringförmige Vielecke darstellen.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von Rand-Kompensationszonen (4) unterschiedliche Kompen­ sationsgrade (K) aufweisen.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rand­ struktur eine Übergangsstruktur (ÜS) aufweist, die sich von der restlichen Randstruktur unterscheidet.
11. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Über­ gangsstruktur (ÜS) eine Vielzahl von Rand-Kompensationszonen (4) aufweist, die an Kompensationszonen (4') der aktiven Struktur (AS) des Halbleiterbauelements unter Ausnutzung von Nachbarwechselwirkungen angepasst sind.
12. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rand- Kompensationszonen (4) einen invertierten Kompensationsgrad (K) zu korrespondierenden Kompensationszonen (4') der aktiven Struktur (AS) aufweisen.
13. Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von schwebenden zweiten Rand-Kompensationsgebieten (3) in der Übergangsstruktur (ÜS) ein invertiertes tiefenaufge­ löstes Kompensationsprofil zu ihren benachbarten Kompensati­ onsgebieten (3') in der aktiven Struktur (AS) aufweisen.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Übergangsstruktur (ÜS) in zweiter bis n-ter Ordnung in der Randstruktur (RS) fortsetzt.
15. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von Rand-Kompensationszonen (4) nur in bestimmten Berei­ chen einer z-Richtung angepasst sind.
16. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vari­ ation der Größe der Vielzahl von Rand-Kompensationszonen (4) in x-, y- und z-Richtung gleichmäßig und/oder verschieden er­ folgt.
17. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Viel­ zahl von Rand-Kompensationszonen (4) in x-, y- und z-Richtung mit und/oder ohne ein vorbestimmtes Raster ausgebildet sind.
18. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ge­ samtdotierung im Bereich der Randstruktur (RS) geringer ist als in der aktiven Struktur (AS).
19. Halbleiterbauelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gra­ benstruktur einen Teil der Dotierung in der Randstruktur (RS) entfernt.
20. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauelements nach einem der Patentansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • a) Ausbilden einer Vielzahl von Halbleiterschichten (E1 bis E4) zur Realisierung der ersten Rand-Kompensationsgebiete (2);
  • b) Ausbilden einer Vielzahl von Masken (5) für die jeweili­ gen Halbleiterschichten (E1 bis E4); und
  • c) Ausbilden der Vielzahl von Rand-Kompensationszonen (4) mittels der Vielzahl von Masken (5) in den jeweiligen Halb­ leiterschichten (E1 bis E4) zur Realisierung des zweiten Rand-Kompenpensationsgebietes (3).
21. Verfahren nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus­ bilden der Rand-Kompensationszonen (4) mittels Ionen- Implantation und nachfolgender thermischer Ausdiffusion durchgeführt wird.
22. Verfahren nach Patentanspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus­ bilden der Vielzahl von Halbleiterschichten (E1 bis E4) ein epitaktisches Abscheiden darstellt.
23. Verfahren nach Patentanspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass durch Än­ derung einer Implantationsdosis, einer Öffnung in der Maske und/oder einer Zeitdauer der thermischen Ausdiffusion ein Kompensationsgrad (K) in den Rand-Kompensationszonen (4) ein­ gestellt wird.
24. Halbleiterbauelement mit einer aktiven Struktur (AS),
die einen sperrenden pn-Übergang in einem Halbleitersubstrat (1) aufweist, mit
einer ersten Zone (6) eines ersten Leitungstyps, die mit ei­ ner ersten Elektrode (S) verbunden ist und an eine den sper­ renden pn-Übergang bildende Zone (7) eines zweiten, zum ers­ ten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps angrenzt, die ebenfalls mit der ersten Elektrode (S) verbunden ist, und mit einer zweiten Zone (1) des ersten Leitungstyps, die mit einer zweiten Elektrode (D) verbunden ist, wobei im Bereich zwi­ schen der ersten Zone (7) und der zweiten Zone (1) erste und zweite Kompensationsgebiete (2', 3') des ersten und zweiten Leitungstyps ineinander verschachtelt sind
gekennzeichnet durch
eine Randstruktur (RS), die im wesentlichen ein intrinsisches Halbleitersubstrat aufweist.
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