DE102006021362B4 - Laterales SOI-Halbleiterbauteil - Google Patents

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Abstract

Laterales SOI-Halbleiterbauteil (1), mit:
– einem Trägersubstrat (2),
– einer auf dem Trägersubstrat (2) angeordneten Isolationsschicht (3),
– einem auf der Isolationsschicht (3) angeordneten lateralen Schaltelement (4), das eine Sourcezone (5), eine Driftzone (7) sowie eine Drainzone (8) aufweist, sowie mit
– die Driftzone (7) durchsetzenden thermisch leitenden Kühlelementen (13),
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Driftzone (7) in lateraler Richtung von der Sourcezone (5) zur Drainzone (7) verlaufende alternierende stromführende und nichtstromführende Driftzonenstreifen (19, 18) jeweils eines ersten und eines zweiten Leitungstyps aufweist und lediglich die nicht stromführenden Driftzonenstreifen (18) mit der Sourcezone (5) elektrisch kurzgeschlossen und mit den Kühlelementen (13) durchsetzt sind, und
– die nicht stromführenden Driftzonenstreifen (18) in ihren räumlichen Ausmaßen sowie ihren Dotierstärken so ausgelegt sind, dass in diesen Gebieten vorhandene Ladung im Sperrzustand des Schaltelements (4) nicht vollständig ausgeräumt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein laterales SOI-Halbleiterbauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges laterales SOI-Halbleiterbauteil ist aus DE 103 43 503 B3 (INFINEON TECHNOLOGIES AG) bekannt.
  • Ein Nachteil derartiger SOI-Halbleiterbauteile SOI (Silicon On Insulator) ist, dass aufgrund der Isolationsschicht innerhalb des Schaltelements (z. B. eines MOS-Schaltelements oder eines IGBT-Schaltelements) erzeugte Verlustwärme nicht in ausreichendem Maß aus dem SOI-Halbleiterbauteil abführbar ist, wenn die Verlustwärme einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
  • Bei dem aus der oben zitierten Druckschrift bekannten lateralen SOI-Bauelement sind die Kühlelemente als eine Driftzone eines ersten Leitungstyps durchstoßende säulenförmige Gebiete eines zweiten Leitungstyps vorgesehen, die die Isolierschicht des SOI-Halbleiterbauteils durchstoßen und im Substrat enden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein laterales SOI-Halbleiterbauteil der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass auch bei sehr hoher Verlustleistung eine ausreichende Kühlung des Halbleiterbauteils sichergestellt ist, ohne dass die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauteils gestört werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein laterales SOI-Halbleiterbauteil gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße laterale SOI-Halbleiterbauteil mit:
    einem Trägersubstrat, einer auf dem Trägersubstrat angeordneten Isolationsschicht, einem auf der Isolationsschicht angeordneten lateralen Schaltelement, das eine Sourcezone, eine Driftzone sowie eine Drainzone aufweist, sowie mit die Driftzone durchsetzenden thermisch leitenden Kühlelementen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Driftzone in lateraler Richtung von der Sourcezone zur Drainzone verlaufende alternierende stromführende und nichtstromführende Driftzonenstreifen jeweils eines ersten und eines zweiten Leitungstyps aufweist und lediglich die nicht stromführenden Driftzonenstreifen mit den Kühlelementen durchsetzt sind.
  • Bei der Erfindung ist die Driftzone vom einen Leitungstyp, in die streifenförmige Driftzonengebiete des anderen Leitungstyps eingelagert sind (Kompensationsstruktur). Der eine Leitungstyp kann beispielsweise der n-Leitungstyp, der andere Leitungstyp der p-Leitungstyp sein. Die Driftzone des einen Leitungstyps stellt im Durchlasszustand des Schaltelements den Strom führenden Bereich der Driftzone dar. Die Driftzonengebiete des anderen Leitungstyps dienen zur Erhöhung der Sperrfähigkeit des Schaltelements zum einen sowie der Verringerung des Durchlasswiderstands des Schaltelements zum anderen.
  • Prinzipiell können die Kühlelemente elektrisch leitfähig und/oder nicht elektrisch leitfähig ausgestaltet sein. Sind die Kühlelemente elektrisch leitend ausgestaltet, so kann die oben beschriebene Kompensationsstruktur dazu genutzt werden, die Kühlelemente direkt in die Driftzone zu integrieren, ohne unerwünschte elektrische Eigenschaften (z. B. elektrische Kurzschlüsse) in Kauf nehmen zu müssen. Dazu werden die Kühlelemente lediglich mit den Driftzonengebieten des anderen Leitungstyps verbunden, das heißt die Kühlelemente stehen lediglich mit dem nicht Strom führenden Teil der Driftzone elektrisch in Verbindung, nicht jedoch mit dem Strom führenden Teil der Driftzone.
  • Die Kühlelemente können die Isolationsschicht durchstoßen, so dass in der Driftzone erzeugte Verlustwärme durch die Isolationsschicht hindurch nach unten in das Trägersubstrat hinein abführbar ist. Alternativ können die Kühlelemente in der Driftzone erzeugte Verlustwärme nach oben an Feldplatten abgeben, die oberhalb der Driftzone angeordnet sind und beispielsweise elektrisch leitend ausgestaltet sein können. In ersterem Fall ist es vorteilhaft, das Trägersubstrat als Substrat vom einen Leitungstyp auszugestalten, in das Gebiete des anderen Leitungstyps eingelagert sind, wobei die Kühlelemente, die die Isolationsschicht durchstoßen, lediglich mit den Trägersubstratgebieten des anderen Leitungstyps verbunden sind. Auf diese Art und Weise ist es möglich, das unterhalb der Driftzone liegende Trägersubstrat zur Aufweitung der Raumladungszone zu nutzen, andererseits das Trägersubstrat zum Abführen innerhalb der Driftzone erzeugte Verlustwärme einzusetzen.
  • Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauteils können die Driftzonengebiete des anderen Leitungstyps mit der Sourcezone elektrisch kurzgeschlossen sein. Sind die Kühlelemente elektrisch leitfähig ausgestaltet, so können zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauteils die Driftzonengebiete des anderen Leitungstyps in ihren räumlichen Ausmaßen sowie ihren Dotierstärken so ausgelegt sein, dass in diesen Gebieten vorhandene Ladung im Sperrzustand des MOS-Schaltelements nicht vollständig ausgeräumt wird.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen lateralen SOI-Halbleiterbauteils,
  • 2 eine Querschnittsdarstellung der in 1 gezeigten Ausführungsform.
  • In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile oder Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Weiterhin können sämtliche Ausführungsformen invers dotiert sein, d. h. n-Gebiete können durch p-Gebiete ersetzt werden und umgekehrt.
  • In 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen lateralen SOI-Halbleiterbauteils gezeigt. Das laterale SOI-Halbleiterbauteil 1 weist ein n-dotiertes Trägersubstrat 2, eine auf dem Trägersubstrat 2 angeordnete Isolationsschicht 3 sowie ein auf der Isolationsschicht 3 angeordnetes laterales MOS-Schaltelement 4 auf. Das laterale MOS-Schaltelement 4 weist eine n+-dotierte Sourcezone 5, eine p-dotierte Bodyzone 6, eine n-dotierte Driftzone 7 sowie eine n+-dotierte Drainzone 8 auf. Oberhalb der Sourcezone 5, der Bodyzone 6, der Driftzone 7 sowie der Drainzone 8 ist eine weitere Isolationsschicht 9 vorgesehen, die mit der Isolationsschicht 3 verbunden ist (jedoch nicht zwingend verbunden sein muss), und in die ein Gate 10 eingebettet ist. Die Sourcezone 5 wird über eine Sourcemetallisierung 11, die Drainzone 8 über eine Drainmetallisierung 12 kontaktiert.
  • Erfindungsgemäß sind innerhalb der Driftzone 7 Kühlelemente 13 vorgesehen (durch gestrichelte Linie angedeutet), die elektrisch leitend ausgestaltet sind und mit elektrisch leitenden Feldplatten 14 (beispielsweise aus Metall) sowie mit p-dotierten Trägersubstratgebieten 15, die in die Oberfläche des n-dotierten Trägersubstrats 2 eingelassen sind, verbunden sind, so dass zwischen jeder Feldplatte 14 sowie dem jeweils darunter liegenden p-dotierten Trägersubstratgebiet 15 eine elektrisch leitende Verbindung besteht. Hierzu durchstoßen die Kühlelemente 13 sowohl die Isolationsschicht 3 als auch die Isolationsschicht 9. Weiterhin ist innerhalb des Trägersubstrats 2 eine p-dotierte Wanne 16 vorgesehen, die über einen entsprechenden Anschluss 17 kontaktiert wird. Das Vorsehen der p-dotierten Wanne 16 ist notwendig, um Kurzschlüsse zwischen dem elektrischen Anschluss 17 und der Drainmetallisierung 12 zu vermeiden. In dem Trägersubstrat 2 ist weiterhin ein n+-dotiertes Gebiet 20 vorgesehen, das mit der Drainmetallisierung 12 in elektrischem Kontakt steht. Zwischen den Feldplatten 14 sowie zwischen der rechten Felplatte 14 und der Drainmetallisierung 12 sind Teile einer Isolationsschicht 21 vorgesehen. Die Unterseite des Trägersubstrats 2 ist mit einer Metallisierungsschicht 22 versehen, die vorzugsweise auf Drainpotenzial gesetzt ist, um einen optimalen Potenzialverlauf zu erzielen. Die Metallisierungsschicht 22 kann weggelassen werden.
  • Wie 1 zu entnehmen ist, ist die Driftzone 7 als alternierende Folge von p-dotierten Streifen 18 sowie n-dotierten Streifen 19 (Kompensationsstruktur) ausgelegt. Die p-Streifen 18 sind mit der Sourcezone 5 elektrisch verbunden und stellen den nicht Strom führenden Teil der Driftzone 7 dar. Die n-Streifen 19 stellen den Strom führenden Teil der Driftzone 7 dar. Die Kühlelemente 13 durchstoßen lediglich die p-Streifen 18, d. h. stehen mit dem Strom führenden Teil der Driftzone 7 (n-Streifen 19) elektrisch nicht direkt in Verbindung. Dadurch wird gewährleistet, dass die elektrischen Eigenschaften des SOI-Halbleiterbauteils 1 trotz elektrisch leitender Kühlelemente 13 (beispielsweise aus Metall) nicht gestört werden.
  • In diesem Zusammenhang sei weiterhin auf die Druckschrift WO 2005/076366 A2 verwiesen, die die prinzipielle Funktionsweise der in den 1 und 2 dargestellten Halbleiterbauteils zeigt.
  • Das Schaltelement 4 kann z. B. auch als IGBT oder als anderes Schaltelement ausgestaltet sein. In einem derartigen Fall müsste der Gesamtaufbau des SOI-Halbleiterbauteils 1 jedoch entsprechend modifiziert werden.
  • In der folgenden Beschreibung sollen weitere Aspekte der Erfindung erläutert werden:
    Erfindungsgemäß wird ein hochsperrendes laterales MOS-Schaltelement auf SOI bereitgestellt, das einen für die Sperrspannung verhältnismäßig niedrigen Einschaltwiderstand (RDSon) aufweist, um so Schaltfunktionen mit möglichst kleinen Chipflächen realisieren zu können. Erfindungsgemäß wird im Vergleich zu früheren Lösungen eine deutlich verbesserte Kühlung und damit größere umsetzbare Verlustleistung erzielt.
  • Die im Vergleich zu Bulk-Silizium schlechtere thermische Leitfähigkeit von SOI aufgrund der ca. 100 mal schlechteren thermischen Leitfähigkeit der vergrabenen Oxidschicht ist bei SOI systembedingt. Eine Verbesserung der thermischen Ankopplung des dünnen Siliziumfilms wurde in der Vergangenheit bereits durch Öffnungen in der vergrabenen Oxidschicht, die z. B. mit Metall wieder verschlossen wurden, erreicht. Dieses ist aus der IC-Fertigung bekannt. Die Verbindungen wurden jedoch nicht im aktiven Bereich der Bauelemente eingebracht und sind ebenso nicht für Hochvolt-Bauelemente bekannt. Das in der Druckschrift WO 2005/076366 A2 [1] dargestellte Bauelement steht durch die ununterbrochene Isolationsschicht (Oxid) in der zulässigen Verlustleistung hinter lateralen Bauelementen in Bulk-Silizium zurück.
  • Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass die Driftstrecke des lateralen Hochvolt-Bauelements im Siliziumfilm zur Verbesserung des Einschaltwiderstands bei gegebener Sperrspannung durch alternierend angeordnete p- und n-Streifen ausgeführt sein kann. Sind z. B. diese p-Streifen in der Art ausgeführt, dass sie im Sperrzustand nicht vollständig ausgeräumt werden, kann durch eine Durchkontaktierung aus Metall oder Polysilizium, ausgehend von der Feldplatte, durch den Siliziumfilm, durch die vergrabene Oxidschicht bis hinein in das bis zum Substrat eine thermisch leitfähige Verbindung hergestellt werden, durch die die im Film im eingeschalteten Zustand auftretende Verlustleistung effektiv zum Substrat abgeführt werden kann.
  • Neben einer verbesserten thermischen Ankopplung des Siliziumfilms wird hierdurch erreicht, dass die in [1] beschriebenen Z-Dioden zur elektrischen Kopplung der Feldplatten und p-Ring überflüssig werden. Die auf den Feldplatten und in den p-Ringen im Sperrfall gespeicherte Ladung kann beim Übergang in den leitfähigen Zustand sehr schnell durch die p-Streifen des Hochvolt-Bauelements zum Sourcekontakt abfließen.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist demnach die Verbesserung der thermischen Ankopplung der Strom führenden Schicht eines Hochvoltbauelements auf SOI, bei dem die Sperrspannung aufnehmende Schicht nach dem Kompensationsprinzip durch alternierende n- und p-Streifen ausgeführt ist. Der Siliziumfilm wird durch eine thermisch leitfähige Verbindung im nicht Strom führenden Bereich (z. B. bei einem NMOS-Bauteil die p-Streifen) durch die vergrabene Oxidschicht mit dem Substrat verbunden. Ist diese thermisch leitfähige Verbindung auch elektrisch leitfähig, dann sollten die Streifen, die durchkontaktiert werden, so ausgelegt sein, dass sie im Sperrbetrieb nicht vollständig ausgeräumt werden.
  • 1 zeigt einen lateralen n-Kanal-Hochvolt-MOS-Transistor als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen SOI-Halbleiterbauteils. Thermischen Pfade sind durch die Bezugsziffern 13 schematisch angedeutet. Sie liegen in diesem Beispiel in unmittelbarer Nähe zum Strom führenden Pfad (n-Streifen 19) und können die entstehende Verlustwärme am Ort der Entstehung zur thermischen Senke (Trägersubstrat 2) abführen. Die thermischen Pfade (hier: elektrischen Kontakte) 13 münden in die p-Ringe 15 im Substrat 2, die die Sperrspannungsfestigkeit des SOI-Halbleiterbauteils gewährleisten. Sind die thermischen Pfade elektrisch leitfähige Verbindungen, so können die Ladungen, die sich im Sperrfall in den p-Ringen 15 und auf den Feldplatten 14 sammeln, beim Übergang in den Leitendzustand über die p-Streifen 18 des MOS-Schaltelements 4 zur Sourcezone 5 abgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    SOI-Halbleiterbauteil
    2
    Trägersubstrat
    3
    Isolationsschicht
    4
    MOS-Schaltelement
    5
    Sourcezone
    6
    Bodyzone
    7
    Driftzone
    8
    Drainzone
    9
    Isolationsschicht
    10
    Gate
    11
    Sourcemetallisierung
    12
    Drainmetallisierung
    13
    Kühlelemement
    14
    Feldplatte
    15
    Trägersubstratgebiet
    16
    p-Wanne
    17
    Anschluss
    18
    p-Streifen
    19
    n-Streifen
    20
    n+-Gebiet
    21
    Isolationsschicht
    22
    Metallisierungsschicht

Claims (6)

  1. Laterales SOI-Halbleiterbauteil (1), mit: – einem Trägersubstrat (2), – einer auf dem Trägersubstrat (2) angeordneten Isolationsschicht (3), – einem auf der Isolationsschicht (3) angeordneten lateralen Schaltelement (4), das eine Sourcezone (5), eine Driftzone (7) sowie eine Drainzone (8) aufweist, sowie mit – die Driftzone (7) durchsetzenden thermisch leitenden Kühlelementen (13), dadurch gekennzeichnet, dass – die Driftzone (7) in lateraler Richtung von der Sourcezone (5) zur Drainzone (7) verlaufende alternierende stromführende und nichtstromführende Driftzonenstreifen (19, 18) jeweils eines ersten und eines zweiten Leitungstyps aufweist und lediglich die nicht stromführenden Driftzonenstreifen (18) mit der Sourcezone (5) elektrisch kurzgeschlossen und mit den Kühlelementen (13) durchsetzt sind, und – die nicht stromführenden Driftzonenstreifen (18) in ihren räumlichen Ausmaßen sowie ihren Dotierstärken so ausgelegt sind, dass in diesen Gebieten vorhandene Ladung im Sperrzustand des Schaltelements (4) nicht vollständig ausgeräumt wird.
  2. SOI-Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kühlelemente (13) elektrisch leitfähig sind und dass diese mit den nicht stromführenden Driftzonenstreifen (18) elektrisch leitend verbunden sind.
  3. SOI-Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Kühlelemente (13) die Isolationsschicht (3) durchstoßen, so dass in der Driftzone (7) erzeugte Verlustwärme durch die Isolationsschicht (3) hindurch in das Trägersubstrat (2) hinein abführbar ist.
  4. SOI-Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (2) vom ersten Leitungstyp ist, in das Trägersubstratgebiete (15) des zweiten Leitungstyps eingelagert sind, wobei die Kühlelemente (13), die die Isolationsschicht (3) durchstoßen, mit den Trägersubstratgebieten (15) des zweiten Leitungstyps (p), nicht jedoch mit dem Trägersubstrat (2) verbunden sind.
  5. SOI-Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kühlelemente (13) mit Feldplatten (14), die oberhalb der Driftzone (7) angeordnet sind, verbunden sind.
  6. SOI-Halbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (4) ein MOS-Schaltelement oder ein IGBT-Schaltelement ist.
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