DE102004041198B4 - Lateral semiconductor device with a field electrode and a discharge structure - Google Patents
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Abstract
Laterales Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten Seite (101) und einer zweiten Seite (102), eine in dem Halbleiterkörper (100) unterhalb der ersten Seite (101) angeordnete, sich in einer ersten lateralen Richtung des Halbleiterkörpers (100) zwischen einer ersten Anschlusszone (20; 21; 80) und einer zweiten Anschlusszone (30) erstreckende Driftzone (40), wenigstens eine in der Driftzone angeordnete, sich ausgehend von der ersten Seite (101) in die Driftzone (40) hinein erstreckende Feldelektrode (50; 50'; 50A–50C; 50A'–50C'; 50B'', 50C''; 50A1, 50B1, 50B2), eine komplementär zu der Driftzone (40) dotierte und bei sperrendem Halbleiterbauelement floatende erste Halbleiterzone (90A–90C), die in der Driftzone (40) angeordnet ist und an welche die wenigstens eine Feldelektrode (50; 50'; 50A–50C; 50A'–50C'; 50B'', 50C''; 50A1, 50B1, 50B2) elektrisch leitend angeschlossen ist, eine an die Feldelektrode (50A–50C) oder die erste Halbleiterzone (90A–90C) angeschlossene Entladestruktur, die aufweist: eine schwächer als die erste Halbleiterzone (90A–90C) dotierte zweite Halbleiterzone (94) vom selben Leitungstyp, die die wenigstens eine erste Halbleiterzone (90A–90C) bei leitendem Bauelement an ein definiertes Potential anschließt und die bei sperrendem Bauelement vollständig ausräumbar ist.A lateral semiconductor device, comprising: a semiconductor body (100) having a first side (101) and a second side (102), one disposed in the semiconductor body (100) below the first side (101), in a first lateral direction of the semiconductor body (100) drift zone (40) extending between a first junction zone (20; 21; 80) and a second junction zone (30), at least one drift zone located in the drift zone starting from the first side (101) into the drift zone (40) 50A ', 50A-50C, 50A'-50C', 50B '', 50C '', 50A1, 50B1, 50B2), a first semiconductor zone doped complementary to the drift zone (40) and floating when the semiconductor device is blocking ( 90A-90C) disposed in the drift zone (40) and to which the at least one field electrode (50; 50 '; 50A-50C; 50A'-50C'; 50B '', 50C ''; 50A1, 50B1, 50B2 ) is electrically connected, one to the field electrode (50A-50C) or the first half lead a second semiconductor zone (94) of the same conductivity type doped weaker than the first semiconductor zone (90A-90C), which defines the at least one first semiconductor zone (90A-90C) at a conductive device to a defined one Potential connects and which is completely ausräumbar with blocking component.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein laterales Halbleiterbauelement.The present invention relates to a lateral semiconductor device.
Derartige laterale Halbleiterbauelemente mit einer in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers verlaufenden Driftstrecke und einem somit in lateraler Richtung verlaufenden Strompfad sind allgemein bekannt. Solche Bauelemente können sowohl als bipolare Bauelemente, wie beispielsweise Dioden oder IGBT, oder als unipolare Bauelemente, wie beispielsweise MOSFET oder Schottky-Dioden, ausgebildet sein.Such lateral semiconductor components with a drift path extending in the lateral direction of the semiconductor body and thus a current path thus extending in the lateral direction are generally known. Such devices may be formed both as bipolar devices such as diodes or IGBTs, or as unipolar devices such as MOSFETs or Schottky diodes.
Bei Dioden sind die beiden Anschlusszonen komplementär dotiert und die Driftzone bzw. Basiszone ist vom selben Leitungstyp wie eine der Anschlusszonen, jedoch schwächer dotiert. Die beiden komplementär dotierten Anschlusszonen bilden die Anoden- und Kathodenzonen der Diode.In the case of diodes, the two connection zones are complementarily doped and the drift zone or base zone is of the same conductivity type as one of the connection zones, but less heavily doped. The two complementary doped connection zones form the anode and cathode zones of the diode.
Bei einem MOS-Transistor ist eine als Source-Zone dienende erste Anschlusszone vom selben Leitungstyps wie die als Drain-Zone dienende zweite Anschlusszone vorhanden, wobei die Source-Zone mittels einer Body-Zone des zweiten Leitungstyps von der Driftzone getrennt ist. Zur Ausbildung eines leitenden Kanals in der Body-Zone zwischen der Source-Zone und der Driftzone dient eine isoliert gegenüber den Halbleiterzonen ausgebildete Gate-Elektrode. Bei einem MOSFET sind die Source-Zone und die Drain-Zone vom selben Leitungstyp, während bei einem IGBT die Source-Zone, bzw. Emitterzone, und die Drain-Zone, bzw. Kollektorzone, komplementär dotiert sind.In a MOS transistor, a first junction region serving as a source region of the same conductivity type as the second junction region serving as a drain region is provided, wherein the source region is separated from the drift zone by means of a body region of the second conductivity type. In order to form a conductive channel in the body zone between the source zone and the drift zone, a gate electrode formed in isolation with respect to the semiconductor zones is used. In a MOSFET, the source region and the drain region are of the same conductivity type, while in the case of an IGBT the source region or emitter region and the drain region or collector region are complementarily doped.
Maßgeblich für die Spannungsfestigkeit solcher Bauelemente, also für die maximal zwischen deren Anschlusszonen anlegbare Spannung, bevor ein Spannungsdurchbruch auftritt, ist die Ausgestaltung, hier insbesondere die Dotierung und die Abmessung in lateraler Richtung, der Driftzone. Die Driftzone nimmt bei derartigen Bauelementen im sperrenden Zustand, bei einer Diode also bei Anlegen einer Spannung, die den pn-Übergang zwischen der Anode und der Driftzone in Sperrrichtung polt, und bei einem MOS-Transistor bei Anlegen einer Laststreckenspannung und Nicht-Ansteuerung der Gate-Elektrode, den Großteil der anliegenden Spannung auf. Eine Reduktion der Dotierstoffkonzentration der Driftzone oder eine Verlängerung der Driftzone in Stromflussrichtung erhöht die Spannungsfestigkeit, geht jedoch zu Lasten des Einschaltwiderstandes.Decisive for the dielectric strength of such components, that is to say for the maximum voltage which can be applied between their terminal zones before a voltage breakdown occurs, is the configuration, in particular the doping and the dimension in the lateral direction, of the drift zone. The drift zone in such devices in the off state, in a diode so when applying a voltage polts the pn junction between the anode and the drift zone in reverse direction, and in a MOS transistor when applying a load path voltage and non-driving the gate Electrode, the bulk of the applied voltage. A reduction in the dopant concentration of the drift zone or an extension of the drift zone in the current flow direction increases the dielectric strength, but at the expense of the on-resistance.
Dem Kompensationsprinzip folgend ist es zur Reduktion des spezifischen Einschaltwiderstandes derartiger lateraler Bauelemente aus der
Diese komplementär dotierten Zonen, die sich jeweils langgestreckt in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers zwischen den Anschlusszonen erstrecken, können beispielsweise durch aufeinanderfolgendes Abscheiden jeweils komplementär dotierter Epitaxieschichten hergestellt werden. Ein derartiges Aufbauprinzip ist allerdings kostenintensiv, da mehrere Epitaxieschritte und pro Epitaxieschicht ein bis zwei maskierte Dotierstoffimplantationen erforderlich sind.These complementary doped zones, which extend in each case elongated in the lateral direction of the semiconductor body between the connection zones, can be produced, for example, by sequentially depositing in each case complementarily doped epitaxial layers. However, such a construction principle is cost-intensive, since several epitaxy steps and one to two masked dopant implantations per epitaxial layer are required.
Bei vertikalen Halbleiterbauelementen ist es zur Reduzierung des Einschaltwiderstandes außerdem bekannt, isoliert gegenüber der Driftzone wenigstens eine in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers verlaufende Feldelektrode vorzusehen, die auf einem definierten Potential liegt. Diese Feldelektrode bewirkt im Sperrfall ebenfalls eine Kompensation von Ladungsträgern in der Driftzone, woraus sich die Möglichkeit ergibt, die Driftzone des Bauelements gegenüber Bauelementen ohne solche Feldelektrode bei gleichbleibender Spannungsfestigkeit höher zu dotieren, was wiederum zu einer Verringerung des Einschaltwiderstandes führt.In the case of vertical semiconductor components, in order to reduce the on-resistance, it is also known to provide, in isolation with respect to the drift zone, at least one field electrode running in the vertical direction of the semiconductor body and lying at a defined potential. In the blocking case, this field electrode likewise effects a compensation of charge carriers in the drift zone, which results in the possibility of doping the drift zone of the component with components without such field electrode with a constant dielectric strength, which in turn leads to a reduction in the on-resistance.
In der
Halbleiterbauelemente mit einer in der Driftzone angeordneten Feldelektrode sind außerdem in der
Die
Die
Die nachveröffentlichte
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein laterales, eine Driftzone aufweisendes Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das einen reduzierten spezifischen Einschaltwiderstand aufweist und das einfach und kostengünstig herstellbar ist.Object of the present invention is a lateral, a drift zone exhibiting Semiconductor device to provide, which has a reduced specific on-resistance and which is simple and inexpensive to produce.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß jedes der Ansprüche 1, 7 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a semiconductor device according to any of
Bei einem Halbleiterbauelement, bei dem die wenigstens eine Feldelektrode an eine floatend in der Driftzone angeordnete, komplementär zu der Driftzone dotierte Halbleiterzone angeschlossen ist, besteht die Gefahr, dass bei einem Schaltvorgang, bei dem das Bauelement vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, Ladungsträger, d. h. Löcher bei einer n-dotierten Driftzone und p-dotierten floatenden Halbleiterzonen, nicht schnell genug in diese floatenden Halbleiterzonen zufließen können, so dass die Feldplatte während des Einschaltens kapazitiv auf ein negatives Potential gezogen wird. Dieses negative Potential bewirkt eine Ausräumung von Ladungen in der Driftzone und kann den Stromfluss bei Wiedereinschalten, d. h. nach einem Übergang vom sperrenden in den leitenden Zustand, deutlich reduzieren, bis das Potential der Feldplatten durch Leckströme wieder angehoben wird. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Entladestruktur wird dieses Problem behoben.In a semiconductor component in which the at least one field electrode is connected to a semiconductor zone doped in the drift zone in a floating manner and complementary to the drift zone, there is the risk that during a switching operation in which the component changes from the blocking to the conducting state, charge carriers, d. H. Holes at an n-doped drift zone and p-doped floating semiconductor zones can not flow fast enough into these floating semiconductor zones, so that the field plate is capacitively drawn to a negative potential during turn-on. This negative potential causes an elimination of charges in the drift zone and can reduce the current flow when the power is turned back on; H. After a transition from the blocking to the conductive state, reduce significantly until the potential of the field plates is raised again by leakage currents. The inventively provided Entladestruktur this problem is solved.
Wesentlich für die Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelements in der Driftzone bzw. in den zwischen parallelen Abschnitten der Driftzone angeordneten Driftzonenabschnitten ist das Vorhandensein der wenigstens einen Feldelektrode, die im wesentlichen gegenüber der Driftzone isoliert ist. Im Gegensatz zu einer Kompensationsstruktur mit mehreren benachbart zueinander angeordneten und jeweils komplementär dotierten Halbleiterzonen ist eine sich ausgehend von der ersten Seite in die Driftzone hinein erstreckende Feldplatte einfach und kostengünstig herstellbar. So ist im einfachsten Fall zur Herstellung einer solchen Feldplatte lediglich die Erzeugung eines Grabens in der Driftzone ausgehend von der ersten Seite, das Herstellen einer Isolationsschicht an den Grabenseitenwänden und das Auffüllen des Grabens mit einem Elektrodenmaterial erforderlich.Essential for increasing the dielectric strength of the component in the drift zone or in the drift zone sections arranged between parallel sections of the drift zone is the presence of the at least one field electrode, which is substantially insulated from the drift zone. In contrast to a compensation structure with a plurality of semiconductor zones arranged adjacent to one another and respectively complementarily doped, a field plate extending from the first side into the drift zone can be produced simply and inexpensively. Thus, in the simplest case for producing such a field plate only the creation of a trench in the drift zone starting from the first side, the production of an insulating layer on the trench sidewalls and the filling of the trench with an electrode material is required.
Diese aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Metall oder einem hochdotierten Halbleitermaterial, bestehende und gegenüber der Driftzone isolierte Feldplatte bewirkt bei sperrendem Bauelement eine teilweise Kompensation der in der Driftzone vorhandenen Ladungsträger. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, die Driftzone bei gleichbleibender Spannungsfestigkeit des Bauelements höher zu dotieren – als bei einem lateralen Bauelement ohne solche Feldelektrode, und damit den Einschaltwiderstand zu reduzieren. Zur Erzielung dieser Kompensationswirkung wird die wenigstens eine Feldplatte je nach Ausführungsform auf eines der Potentiale der Anschlusszonen oder auf ein Potential, das von den Potentialverhältnissen in der Driftzone abgeleitet ist, gelegt.This field plate, which consists of an electrically conductive material, for example a metal or a highly doped semiconductor material, and is insulated from the drift zone, causes a partial compensation of the charge carriers present in the drift zone in the case of a blocking component. This results in the possibility of doping the drift zone with a constant dielectric strength of the component higher - than in a lateral device without such field electrode, and thus to reduce the on-resistance. In order to achieve this compensation effect, the at least one field plate, depending on the embodiment, is set to one of the potentials of the connection zones or to a potential which is derived from the potential conditions in the drift zone.
Vorzugsweise sind in einer zweiten lateralen Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten lateralen Richtung verläuft wenigstens zwei beabstandet zueinander angeordnete Feldelektroden vorhanden, wodurch eine verbesserte Kompensationswirkung in dem Abschnitt der Driftzone zwischen je zwei benachbarten Feldelektroden erzielt wird.Preferably, in a second lateral direction, which is substantially perpendicular to the first lateral direction, at least two spaced-apart field electrodes are present, whereby an improved compensation effect is achieved in the portion of the drift zone between each two adjacent field electrodes.
Die wenigstens eine Feldelektrode ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich in ihrer Längsrichtung entlang der ersten lateralen Richtung in der Driftzone. In vertikaler Richtung erstreckt sich diese plattenförmige Feldelektrode vorzugsweise in etwa so weit wie die Driftzone in den Halbleiterkörper hinein.The at least one field electrode is preferably plate-shaped and extends in its longitudinal direction along the first lateral direction in the drift zone. In the vertical direction, this plate-shaped field electrode preferably extends into the semiconductor body approximately as far as the drift zone.
Zur Erhöhung der Kompensationswirkung besteht die Möglichkeit in der Driftzone mehrere in der ersten lateralen Richtung beabstandet zueinander angeordnete Feldelektroden vorzusehen, die vorzugsweise auf unterschiedlichen Potentialen liegen.In order to increase the compensation effect, it is possible in the drift zone to provide a plurality of field electrodes which are arranged at a distance from one another in the first lateral direction and which are preferably at different potentials.
Diese unterschiedlichen Potentiale sind so gewählt, dass im Sperrfall des Bauelements, wenn das Potential in der Driftzone ausgehend von einer der Anschlusszonen in lateraler Richtung ansteigt, das Potential der Feldelektroden von Feldelektrode zu Feldelektrode ansteigt, um für alle Feldelektroden eine möglichst gleiche Spannungsbelastung der sie umgebenden Isolationsschicht zu erreichen. These different potentials are selected so that in the case of blocking of the component, when the potential in the drift zone rises from one of the connection zones in the lateral direction, the potential of the field electrodes increases from field electrode to field electrode, for all field electrodes as equal as possible stress of surrounding them To achieve insulation layer.
Diese unterschiedlichen Potentiale können beispielsweise durch eine zwischen der ersten und zweiten Anschlusszone an geordnete Zenerdiodenkette mit Zwischenabgriffen erzeugt werden. Eine solche Zenerdiodenkette und deren Realisierung ist beispielsweise in der
Bei der Erfindung ist vorgesehen, die wenigstens eine Feldplatte an eine komplementär zu der Driftzone dotierte Halbleiterzone zu koppeln, die floatend in der Driftzone angeordnet ist, wobei sich diese Halbleiterzone vorzugsweise in der ersten lateralen Richtung auf der Höhe der Feldelektrode befindet.In the invention, it is provided to couple the at least one field plate to a semiconductor zone doped in a complementary manner to the drift zone, which is arranged floating in the drift zone, this semiconductor zone preferably being in the first lateral direction at the level of the field electrode.
In dem Bauelement bildet sich bei Anlegen einer Sperrspannung eine Raumladungszone in der Driftzone aus, die sich mit zunehmender Sperrspannung in lateraler Richtung ausbreitet. Die wenigstens eine floatend in der Driftzone angeordnete Halbleiterzone bewirkt im Sperrfall, dass die ihr zugeordnete elektrisch leitende und gegenüber der Driftzone isolierte Feldelektroden ein Potential annimmt, das dem Potential der Raumladungszone an der Position der floatenden Halbleiterzonen entspricht. Davon ausgehend, dass sich die floatende Halbleiterzone in lateraler Richtung im Bereich der Position der Feldelektrode befindet, muss die Spannungsfestigkeit der die Feldelektrode umgebenden Isolationsschicht nur so groß sein wie die Spannungsdifferenz in der Driftzone zwischen der Position der floatenden Halbleiterzone und der Position im Bereich des in lateraler Richtung am weitesten entfernten Punktes der Feldelektrode. Befindet sich diese floatend angeordnete Halbleiterzone in der ersten lateralen Richtung knapp neben der Feldelektrode, so entspricht die maximal auftretende Spannung zwischen der Feldelektrode und der umgebenden Driftzone dem Spannungsabfall entlang der Feldelektrode in der Driftzone.Upon application of a blocking voltage, a space charge zone in the drift zone forms in the component, which propagates in the lateral direction with increasing blocking voltage. In the blocking case, the at least one semiconductor zone arranged so as to float in the drift zone has the effect that its associated electrically conductive field electrode, which is insulated from the drift zone, assumes a potential which corresponds to that of FIG Potential of the space charge zone at the position of the floating semiconductor zones corresponds. Assuming that the floating semiconductor zone is located in the lateral direction in the region of the position of the field electrode, the dielectric strength of the insulating layer surrounding the field electrode need only be as great as the voltage difference in the drift zone between the position of the floating semiconductor zone and the position in the region of lateral direction farthest point of the field electrode. If this floating semiconductor zone is located close to the field electrode in the first lateral direction, then the maximum occurring voltage between the field electrode and the surrounding drift zone corresponds to the voltage drop along the field electrode in the drift zone.
Bei der Ausführungsform, bei der mehrere in der ersten lateralen Richtung beabstandet zueinander angeordnete Feldelektroden vorhanden sind, ist den Feldelektroden jeweils eine floatend in der Driftzone angeordnete Halbleiterzone zugeordnet, die sich im Bereich der Position der zugeordneten Feldelektrode befindet.In the embodiment in which a plurality of field electrodes arranged at a distance from one another in the first lateral direction are present, the field electrodes are each assigned a semiconductor zone which is arranged in the drift zone and which is located in the region of the position of the associated field electrode.
Die wenigstens eine Feldelektrode ist vorzugsweise über einen oberhalb der ersten Seite angeordneten Anschlusskontakt an die floatend in der Driftzone angeordnete Halbleiterzone angeschlossen, die sich in diesem Fall an die erste Seite anschließt.The at least one field electrode is preferably connected via a connection contact arranged above the first side to the semiconductor zone arranged so as to be floating in the drift zone, which in this case adjoins the first side.
Ist die Driftzone des Bauelements beispielsweise mittels eines Diffusionsverfahrens dotiert worden, so nimmt die Ladungsträgerkonzentration ausgehend von der ersten Seite in vertikaler Richtung der Driftzone üblicherweise ab. Um den Feldverlauf des elektrischen Feldes in diesem Fall zu optimieren verjüngt sich die Feldelektrode in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers ausgehend von der ersten Seite vorzugsweise, bzw. die Breite eines Grabens, in dem die Elektrode angeordnet ist, verringert sich mit zunehmender Tiefe. Die Dicke der die Feldplatte umgebenden Isolationsschicht bleibt dabei vorzugsweise überall gleich.If the drift zone of the component has been doped, for example, by means of a diffusion method, the charge carrier concentration usually decreases starting from the first side in the vertical direction of the drift zone. In order to optimize the field pattern of the electric field in this case, the field electrode preferably tapers in the vertical direction of the semiconductor body from the first side, or the width of a trench in which the electrode is arranged decreases with increasing depth. The thickness of the insulating layer surrounding the field plate preferably remains the same everywhere.
Wie oben erläutert, variiert die Spannungsbelastung einer die Feldelektrode umgebenden Isolationsschicht im Sperrfall wegen des sich entlang der Feldplatte ändernden Potentials in der Driftzone. Zur Vermeidung von Spannungsdurchbrüchen dieser Isolationsschicht variiert vorzugsweise die Dicke der Isolationsschicht in der ersten lateralen Richtung derart, dass diese Dicke in der Richtung zunehmender Spannungsbelastung ebenfalls zunimmt.As explained above, the voltage stress of an insulating layer surrounding the field electrode in the case of blocking varies because of the potential changing in the drift zone along the field plate. In order to avoid voltage breakdowns of this insulating layer, preferably the thickness of the insulating layer in the first lateral direction varies such that this thickness also increases in the direction of increasing stress load.
Bei einer Ausführungsform mit wenigstens zwei in der zweiten lateralen Richtung des Bauelements beabstandet zueinander abgeordneten Feldelektroden sind vorzugsweise zusätzliche Maßnahmen getroffen, um den Verlauf des elektrischen Feldes in der Driftzone und hierbei insbesondere die ”Durchbruchsstelle” festzulegen, von der bei Erreichen der maximalen Sperrspannung des Bauelements ein Spannungsdurchbruch ausgeht.In one embodiment, with at least two field electrodes spaced apart from one another in the second lateral direction of the component, additional measures are preferably taken to determine the course of the electric field in the drift zone and, in particular, the "breakdown point", from when the maximum blocking voltage of the component is reached a voltage breakdown goes out.
Beim Spannungsdurchbruch kommt es zu einem Lawineneffekt, bei dem Ladungsträger, also Elektronen und Löcher, aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke in der Driftzone weitere Ladungsträger generieren. Die Eigenschaften des Bauelements sind abhängig von der Wegstrecke, die die Ladungsträger beim Lawinendurchbruch bis zu der jeweiligen komplementär zu den Ladungsträgern gepolten Anschlusszone zurücklegen, und sind damit abhängig von der Position der Durchbruchsstelle in der Driftzone. Vorzugsweise liegt diese Stelle in der ersten lateralen Richtung in der Mitte der Driftzone.Voltage breakdown leads to an avalanche effect in which charge carriers, ie electrons and holes, generate additional charge carriers due to the high electric field strength in the drift zone. The properties of the component are dependent on the distance traveled by the charge carriers during avalanche breakdown to the respective connection zone polarized complementary to the charge carriers, and are thus dependent on the position of the break-through point in the drift zone. Preferably, this location lies in the middle of the drift zone in the first lateral direction.
Die Position der Durchbruchstelle kann durch eine geeignete Geometrie oder Positionierung der wenigstens zwei Feldelektroden, aus welcher eine lokale Feldüberhöhung resultiert, eingestellt werden. Bei einer Ausführungsform ist hierbei vorgesehen, dass die beiden Feldelektroden plattenförmig ausgebildet sind, wobei wenigstens eine der Elektroden schräg bezogen auf die erste laterale Richtung, die die Hauptstromflussrichtung in der Driftzone definiert, angeordnet ist. Aufgrund der schrägen Anordnung wenigstens einer der Elektroden variiert der Abstand der beiden Feldelektroden in der Hauptstromrichtung, wobei der Durchbruchsort in der Driftzone im Bereich des kleinsten Abstandes liegt, an dem die größte Feldüberhöhung vorliegt.The position of the break-through point can be adjusted by a suitable geometry or positioning of the at least two field electrodes, from which a local field increase results. In one embodiment, it is provided that the two field electrodes are plate-shaped, wherein at least one of the electrodes is arranged obliquely with respect to the first lateral direction, which defines the main flow direction in the drift zone. Due to the oblique arrangement of at least one of the electrodes, the distance of the two field electrodes varies in the main current direction, wherein the breakdown location in the drift zone is in the range of the smallest distance at which there is the greatest field elevation.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Feldelektroden einen sich in der zweiten lateralen Richtung erstreckenden Vorsprung aufweist, um lokal im Bereich dieses Vorsprungs den Abstand zu der benachbarten Feldelektrode zu verringern, und dadurch eine Überhöhung des elektrischen Feldes in diesem Bereich zu erhalten.In a further embodiment it is provided that at least one of the field electrodes has a projection extending in the second lateral direction in order locally to reduce the distance to the adjacent field electrode in the region of this projection, and thereby to obtain an elevation of the electric field in this region ,
Der Feldverlauf in lateraler Richtung kann auch über die Dicke der die Feldplatte umgebenden Isolationsschicht eingestellt werden oder die Dotierung der Driftzone in der ersten lateralen Richtung des Bauelements eingestellt werden.The field profile in the lateral direction can also be adjusted via the thickness of the insulating layer surrounding the field plate or the doping of the drift zone in the first lateral direction of the component can be set.
In entsprechender Weise kann der Durchbruchsort in vertikaler Richtung des Bauelements über die Geometrie zweier benachbarter Feldplatten oder über die Dotierung der Driftzone in vertikaler Richtung eingestellt werden, wobei der Durchbruchsort vorzugsweise beabstandet zu der ersten Seite des Bauelements in der Tiefe liegt.In a corresponding manner, the breakthrough location in the vertical direction of the component can be set in the vertical direction via the geometry of two adjacent field plates or via the doping of the drift zone, wherein the breakdown location preferably lies at a distance from the first side of the component in the depth.
Hierzu ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, die Feldelektrode mit zunehmender Tiefe zu verbreitern, um dadurch in der Tiefe des Bauelements den Abstand zweier benachbarter Feldelektroden zu verringern und dadurch den Durchbruchsort festzulegen.For this purpose, in one embodiment, the field electrode increases with increasing depth widen, thereby reducing the distance between two adjacent field electrodes in the depth of the device and thereby define the breakthrough site.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, zur Einstellung des Durchbruchsortes die Dotierung in vertikaler Richtung des Bauelements zu variieren, und hierbei insbesondere durch eine lokal erhöhte oder verringerte effektive Dotierungskonzentration eine Überhöhung des elektrischen Feldes an einer gewünschten Position zu erreichen. Die lokale Variation der Dotierung kann beispielsweise durch eine Implantation von Dotierstoffatomen desselben oder des zu der Driftzone komplementären Leitungstyps und gegebenenfalls eine Ausdiffusion der implantierten Ladungsträger erfolgen.In a further embodiment, it is provided to vary the doping in the vertical direction of the component in order to set the breakdown location, and to achieve an elevation of the electric field at a desired position, in particular by a locally increased or reduced effective doping concentration. The local variation of the doping can be effected, for example, by implantation of dopant atoms of the same or of the conduction type complementary to the drift zone and, if appropriate, outdiffusion of the implanted charge carriers.
Durch eine lokal erhöhte oder verringerte effektive Dotierung der Driftzone kann neben der Position des Durchbruchsortes in vertikaler Richtung selbstverständlich auch die Position des Durchbruchsortes in lateraler Richtung eingestellt werden.By a locally increased or decreased effective doping of the drift zone, of course, the position of the breakthrough site can be adjusted in the lateral direction in addition to the position of the penetration site in the vertical direction.
Das Bauelement mit der sich in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers erstreckenden Driftzone ist bei einer Ausführungsform so ausgebildet, dass sowohl die erste als auch die zweite Anschlusszone an der ersten Seite des Bauelements kontaktierbar sind. Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Anschlusszone an der ersten Seite des Halbleiterkörpers und die zweite Anschlusszone an der der ersten Seite abgewandten zweiten Seite des Halbleiterkörpers kontaktierbar ist. In diesem Fall erstreckt sich die zweite Anschlusszone in vertikaler Richtung des Bauelements in den Halbleiterkörper hinein und schließt sich an eine Halbleiterzone desselben Leitungstyps im Bereich der zweiten Seite des Halbleiterkörpers an, wobei diese Halbleiterschicht als Anschluss für die zweite Anschlusszone dient.In one embodiment, the component with the drift zone extending in the lateral direction of the semiconductor body is designed such that both the first and the second connection zones can be contacted on the first side of the component. In a further embodiment, it is provided that the first connection zone on the first side of the semiconductor body and the second connection zone on the second side facing away from the first side of the semiconductor body is contactable. In this case, the second connection zone extends in the vertical direction of the component into the semiconductor body and adjoins a semiconductor zone of the same conductivity type in the region of the second side of the semiconductor body, this semiconductor layer serving as a connection for the second connection zone.
Die vorliegende Erfindung ist auf beliebige laterale Halbleiterbauelemente anwendbar, die eine Driftzone zur Aufnahme einer Spannung im Sperrfall aufweisen.The present invention is applicable to any lateral semiconductor devices having a drift zone for receiving a voltage in the case of blocking.
So ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, das Bauelement als Diode auszubilden. In diesem Fall sind die erste und zweite Anschlusszone, zwischen denen sich die Driftzone erstreckt, komplementär zueinander dotiert.Thus, it is provided in one embodiment to form the component as a diode. In this case, the first and second terminal zones, between which the drift zone extends, are doped complementary to each other.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bauelement als Feldeffekttransistor, insbesondere als MOSFET oder IGBT, ausgebildet ist. Bei einem solchen Bauelement ist eine erste Anschlusszone vorhanden, die vom selben Leitungstyp wie die Driftzone ist, wobei zwischen dieser ersten Anschlusszone und der Driftzone eine komplementär dotierte Kanalzone angeordnet ist. Benachbart zu dieser Kanalzone ist eine isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper angeordnete Ansteuerelektrode vorhanden.In a further embodiment, it is provided that the component is designed as a field-effect transistor, in particular as a MOSFET or IGBT. In such a device, a first connection zone is present, which is of the same conductivity type as the drift zone, wherein between this first connection zone and the drift zone, a complementarily doped channel zone is arranged. Adjacent to this channel zone, a drive electrode arranged in isolation with respect to the semiconductor body is present.
Diese Ansteuerelektrode ist bei einer Ausführungsform oberhalb der ersten Seite des Halbleiterkörpers angeordnet und erstreckt sich bei einer weiteren Ausführungsform in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper hinein. Die erste Anschlusszone bildet bei einem MOSFET dessen Source-Zone und bei einem IGBT dessen Emitterzone, während die zweite Anschlusszone bei einem MOSFET dessen Drain-Zone und bei einem IGBT dessen Kollektorzone bildet. Diese zweite Anschlusszone ist bei einem MOSFET vom selben Leitungstyp wie die erste Anschlusszone und bei einem IGBT komplementär zu der ersten Anschlusszone dotiert.In one embodiment, this drive electrode is arranged above the first side of the semiconductor body and extends in a further embodiment into the semiconductor body in the vertical direction. The first connection zone forms its source zone in the case of a MOSFET and its emitter zone in the case of an IGBT, while the second connection zone forms its drain zone in the case of a MOSFET and its collector zone in the case of an IGBT. This second connection zone is doped in a MOSFET of the same conductivity type as the first connection zone and in an IGBT complementary to the first connection zone.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to figures.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Halbleiterbereiche und Teile mit gleicher Bedeutung.In the figures, unless otherwise stated, like reference numerals designate like semiconductor regions and parts of similar meaning.
Das die Driftzone
Das Bauelement umfasst weiterhin mehrere in der Driftzone
Wie insbesondere der Darstellung in
Die wenigstens eine Feldplatte
Die Feldplatte
Das erläuterte Prinzip funktioniert sowohl bei Feldeffekttransistoren, die als MOSFET ausgebildet sind, als auch bei Feldeffekttransistoren, die als IGBT ausgebildet sind. Bei einem MOSFET sind die Source-Zone
Bei sperrendem Bauelement ist ein Spannungsabfall in der Driftzone
Wie in
Die erste Anschlusszone
Bei Anlegen einer Sperrspannung, also bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen der Kathodenzone
Weitere Beispiele lateraler Halbleiterbauelemente werden nachfolgend in den
In dem Beispiel gemäß
Bei den Beispielen gemäß den
Die
Dieses Bauelement umfasst mehrere – in dem dargestellten Beispiel drei – Feldplatten
Für einen Abstand d2 zweier benachbarter Gräben in einer Richtung quer zur Stromflussrichtung im Vergleich zu einem Abstand d4 zweier in Stromflussrichtung aufeinanderfolgend angeordneter Graben gilt vorzugsweise d4 ≤ 0,5·d2.For a distance d2 of two adjacent trenches in a direction transverse to the current flow direction in comparison to a distance d4 of two trenches arranged successively in the current flow direction, d4 ≦ 0.5 · d2 preferably applies.
Benachbart zu den Feldplatten
Die Funktionsweise dieser Feldelektroden
Im Sperrfall des Bauelements, bei einem n-leitenden MOSFET also bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem Drain-Anschluss
Um die Feldelektroden
Der Vorteil der floatenden Halbleiterzonen
Wird bei Anlegen einer Sperrspannung an das Bauelement die maximale Sperrspannung erreicht, so kommt es zu einem Lawinendurchbruch, bei dem zuerst in der Driftzone
Um einen Spannungsdurchbruch möglichst in der Mitte der ersten lateralen Richtung in der Driftzone
Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, in der zweiten lateralen Richtung nur jede zweite Feldelektrode
Wesentlich für die Festlegung des Ortes des Spannungsdurchbruchs über die Geometrie der Feldelektroden ist, dass ein Abstand zwischen zwei in der zweiten lateralen Richtung beabstandet zueinander angeordneten Feldelektroden lokal reduziert ist.It is essential for the determination of the location of the voltage breakdown over the geometry of the field electrodes that a distance between two field electrodes arranged at a distance from one another in the second lateral direction is locally reduced.
Bezugnehmend auf die mit dem Bezugszeichen
Die Abmessungen dieses Vorsprunges in der ersten lateralen Richtung können dabei wie bei den Feldplatten
Neben der Einstellung des Feldverlaufes in der ersten lateralen Richtung, und hierbei insbesondere der Einstellung des Durchbruchsortes, unter Verwendung geeigneter Geometrien der Feldelektroden besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, den Durchbruchsort in vertikaler Richtung des Bauelementes über die Geometrie zweier in der zweiten lateralen Richtung beabstandet zueinander angeordneter Feldelektroden zu definieren.In addition to the adjustment of the field profile in the first lateral direction, and in particular the setting of the breakthrough location, using suitable geometries of the field electrodes of course there is also the possibility of the breakthrough location in the vertical direction of the component on the geometry of two spaced apart in the second lateral direction to each other Define field electrodes.
In
Neben der Geometrie benachbarter Feldelektroden besteht auch die Möglichkeit, die Position des Durchbruchsortes über die Dotierung der Driftzone
So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die effektive Dotierung der Driftzone
In
Wie erläutert, kann das Kompensationsprinzip auf beliebige laterale, eine Driftstrecke aufweisende Halbleiterbauelemente angewendet werden. Wesentlich für dieses Prinzip ist das Vorhandensein einer sich ausgehend von einer Seite des Halbleiterkörpers
Die anhand der vorigen Figuren beschriebenen Feldeffekttransistoren sind jeweils als in Rückwärtsrichtung sperrende Feldeffekttransistoren ausgebildet, d. h. es ist kein Kurzschluss zwischen der Source-Zone
Bei dem in
Um dieses Problem zu vermeiden ist bei dem in den
Diese schwach dotierte Halbleiterzone wird bei sperrendem Bauelement vollständig an Ladungsträgern ausgeräumt, wodurch die Halbleiterzonen
Bei leitendem Bauelement schließt die schwach dotierte Halbleiterzone
Die in
Die einzelnen Feldplatten
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine das Abfließen von p-Ladungsträgern aus den floatend angeordneten Halbleiterzonen
Diese Entladestruktur umfasst Elektroden
Die Funktionsweise dieser Entladestruktur wird beispielhaft anhand des durch die floatenden Halbleiterzonen
Bei sperrendem Leistungsbauelement, wenn sich eine Raumladungszone ausgehend von dem pn-Übergang zwischen der Body-Zone
Selbstverständlich ist auch die Entladestruktur gemäß
Ein weiteres Beispiel für eine Entladestruktur, die ein negatives Potential an den Feldplatten
Wenn die Halbleiterzone
Ein Verfahren zur Herstellung einer in der Driftzone
Das im Folgenden erläuterte Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Feldelektroden
Bei dem Verfahren zur Herstellung solcher Feldelektroden
Die Herstellung des Grabens
Bezug nehmend auf
Bezug nehmend auf
Dieser Graben wird in nicht näher dargestellter Weise anschließend mit Elektrodenmaterial aufgefüllt, um die in den
Das zuvor erläuterte Bauelementkonzept, bei dem in der Driftzone
Wie aus der Schnittdarstellung in
Die
Es sei darauf hingewiesen, dass die zuvor anhand der
Die zuvor erläuterten lateralen Halbleiterbauelemente zeichnen sich dadurch aus, dass die erste Anschlusszone
Halbleiterkörper bzw. Halbleiterchips sind in Draufsicht üblicherweise rechteckförmig bzw. quadratisch. Bei lateralen Leistungsbauelementen ist es dabei wünschenswert, eine der Anschlusszonen, beispielsweise die erste Anschlusszone, im Innenbereich des Halbleiterkörpers vorzusehen, und die andere der Anschlusszonen, beispielsweise die zweite Anschlusszone, so im Bereich eines Randes des Halbleiterkörpers anzuordnen, dass diese zweite Anschlusszone in Draufsicht auf den Halbleiterkörper die erste Anschlusszone und die Driftzone im Wesentlichen ringförmig umgibt. Der Vorteil dieses Vorgehens besteht darin, dass auf aufwendige Randabschlüsse des Bauelements verzichtet werden kann.Semiconductor bodies or semiconductor chips are usually rectangular or square in plan view. In the case of lateral power components, it is desirable to provide one of the connection zones, for example the first connection zone, in the interior region of the semiconductor body, and the other of the connection zones, for example the second connection zone, to arrange in the region of an edge of the semiconductor body such that this second connection zone is in plan view the semiconductor body surrounding the first connection zone and the drift zone is substantially annular. The advantage of this approach is that can be dispensed with costly edge terminations of the device.
Die Feldelektroden
Der Haupt-Laststrom des ausschnittsweise dargestellten Leistungstransistors fließt bei eingeschaltetem Bauelement im Wesentlichen senkrecht zu den Randseiten des Halbleiterkörpers
Zwischen den Driftzonenabschnitten
Geeignete Möglichkeiten zur Anhebung der Spannungsfestigkeit in einem solchen Eckbereich sind nachfolgend anhand der
Bei dem in
Der Graben ist mit einem Dielektrikum
Das Halbleitergebiet zwischen dem Graben
Eine alternative Struktur für den Eckbereich des Bauelementes ist in
Ein weiteres Beispiel für eine Struktur eines Bauelement-Eckbereiches ist in
Die im Eckbereich angeordneten Feldelektroden
Die Feldelektroden
Der senkrechte Abstand d1 zwischen zwei Gräben mit Feldelektroden
Im nicht dargestellten Querschnitt kann die Geometrie der Feldelektroden
Ein weiteres Beispiel für eine Eckstruktur ist in
Bei diesem Beispiel sind im Eckbereich Feldelektroden
In dem Beispiel gemäß
Bezug nehmend auf
Die im Eckbereich angeordneten Feldelektroden
Die Tiefe der Gräben, in denen die Feldelektroden
Ein weiteres Beispiel für eine Eckstruktur ist in
Wenigstens einige Feldelektroden des Eckbereiches sind in nicht näher dargestellter Weise vorzugsweise an floatende p-dotierte Halbleiterzonen angeschlossen, beispielsweise gemeinsam mit Feldelektroden der Driftzonenabschnitte
Die anhand der
Bei der bisherigen Erläuterung der Eckstrukturen wurde angenommen, dass der Eckbereich im Bereich einer Ecke
Zur Vergrößerung der aktiven Bauelementfläche werden die erste Anschlusszone
In Abschnitten der Driftzone
Eckbereiche der Driftzone sind überall dort vorhanden, wo sich keine parallel verlaufenden Abschnitte der ersten und zweiten Anschlusszone
Die Feldelektrodenstruktur in den Driftzonenabschnitten, beispielsweise den Abschnitten
Für die Bauelementstruktur in den Eckbereichen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 1111
- hochdotierte Halbleiterzonehighly doped semiconductor zone
- 100100
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 101101
- Vorderseite des HalbleiterkörpersFront side of the semiconductor body
- 102102
- Rückseite des HalbleiterkörpersRear side of the semiconductor body
- 103103
- Ecke des HalbleiterkörpersCorner of the semiconductor body
- 104_1, 104_2104_1, 104_2
- Randseiten des HalbleiterkörpersEdge sides of the semiconductor body
- 105_1–105_7105_1-105_7
- Eckbereichecorner areas
- 120, 122120, 122
- Grabendig
- 121, 123121, 123
- Dielektrikumsschichtdielectric
- 150150
- Elektrodenschichtelectrode layer
- 152152
- Isolationsschicht, DielektrikumsschichtInsulation layer, dielectric layer
- 2020
- erste Anschlusszone, Source-Zone, Emitter-Zonefirst junction zone, source zone, emitter zone
- 200200
- HartmaskenschichtHard mask layer
- 2121
- erste Anschlusszone, Anodenzonefirst connection zone, anode zone
- 21_1–21_321_1-21_3
- Abschnitte der ersten AnschlusszoneSections of the first connection zone
- 2222
- erste Anschlusselektrodefirst connection electrode
- 3030
- zweite Anschlusszone, Drain-Zone, Kollektor-Zone, Kathoden-Zonesecond junction zone, drain zone, collector zone, cathode zone
- 30_1–30_430_1-30_4
- Abschnitte der zweiten AnschlusszoneSections of the second connection zone
- 3131
- Anschlusszonecontiguous zone
- 3232
- zweite Anschlusselektrodesecond connection electrode
- 4040
- Driftzonedrift region
- 40_1, 40_240_1, 40_2
- DriftzonenabschnitteDrift zone sections
- 4444
- Halbleiterzone mit erhöhter oder verringerter effektiver DotierungSemiconductor zone with increased or decreased effective doping
- 50, 50A–50C50, 50A-50C
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 50A150A1
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 50A'–50C'50A'-50C '
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 50B''50B ''
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 50B1, 50B250B1, 50B2
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 52, 52A–52C52, 52A-52C
- Isolationsschichtinsulation layer
- 56A–56C56A-56C
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 57A–57C57A-57C
- Isolationsschichtinsulation layer
- 58A–58C58A-58C
- Feldelektrode, FeldplatteField electrode, field plate
- 59A–59C59A-59C
- Isolationsschichtinsulation layer
- 6060
- Kanalzone, BodygebietCanal zone, body area
- 7070
- Ansteuerelektrode, Gate-ElektrodeDrive electrode, gate electrode
- 7171
- Gate-IsolationGate insulation
- 7272
- Isolationsschichtinsulation layer
- 8080
- Schottky-MetallSchottky metal
- 90A–90C90A-90C
- floatend angeordnete Halbleiterzonefloating semiconductor zone
- 92A–92C92A-92C
- Anschlusskontaktconnection contact
- 9494
- schwach dotierte Halbleiterzoneweakly doped semiconductor zone
- 95A–95C95A-95C
- Anschlusskontakteterminals
- 96A–96C96A-96C
- Elektrodenelectrodes
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R008 | Case pending at federal patent court | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R082 | Change of representative | ||
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