DE10312911A1 - Halbleiterbauelement mit platzsparendem Randabschluss - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten und zweiten Seite (101, 102) und einem Rand (105) sowie einer Innenzone (103) und einer zwischen der Innenzone (103) und dem Rand (105) angeordneten Randzone (104), DOLLAR A - eine erste Halbleiterzone (20) eines ersten Leitungstyps in der Innenzone (103) und der Randzone (104) und wenigstens eine zweite Halbleiterzone (30) eines zweiten Leitungstyps, wobei zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone (20, 30) ein Halbleiterübergang in der Innenzone (103) gebildet ist, DOLLAR A - wenigstens einen Graben (40, 42, 44), der sich, ausgehend von einer der Seiten (101), in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckt, wobei der Halbleiterkörper (100) in dem Graben mit einer elektrisch isolierenden Schicht (50) bedeckt ist, DOLLAR A - wenigstens eine dritte Halbleiterzone (60-65) des zweiten Leitungstyps, die benachbart zu dem Graben in der ersten Halbleiterzone angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein vertikales Halbleiterbauelement gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, das einen Halbleiterkörper mit einer ersten und zweiten Seite und einem Rand, sowie einer Innenzone und einer zwischen der Innenzone und dem Rand angeordneten Randzone aufweist, wobei eine erste Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps in der Innenzone und der Randzone und wenigstens eine zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps derart angeordnet ist, dass zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone ein Halbleiterübergang in der Innenzone gebildet ist.
  • Eine derartige Bauelementstruktur mit einem Halbleiterübergang in der Innenzone findet sich sowohl bei bipolaren Bauelementen, wie Dioden, Bipolartransistoren und IGBT als auch bei unipolaren Bauelementen, wie MOSFET. Diese Bauelemente unterscheiden sich zwar bezüglich ihres Verhaltens in leitend angesteuertem Zustand, im sperrenden Zustand ist diesen Bauelementen jedoch gemeinsam, dass sich ausgehend von dem sperrend gepolten Halbleiterübergang mit zunehmender Sperrspannung eine Raumladungszone ausbreitet.
  • Ohne zusätzliche Maßnahmen ist bei derartigen Bauelementen bekanntlich die Spannungsfestigkeit in der Randzone geringer als in der Innenzone. Um die Spannungsfestigkeit im Randbereich zu erhöhen und dadurch bei Erreichen einer maximalen Sperrspannung einen Spannungsdurchbruch in der flächenmäßig größeren Innenzone zu erreichen sind unterschiedlichste Randabschlüsse bekannt. Bei derartigen Randabschlüssen, die ausführlich in Baliga: "Power Semiconductor Devices", PWS Publishing, 1995, Seiten 81 bis 110, beschrieben sind, unterscheidet man Planare Randabschlüsse, die beispielsweise sogenannte dotierte Feldringe um die Innenzone oder Feldplatten oberhalb der Seiten des Halbleiterkörpers umfassen, und abge schrägte Randabschlüsse, die durch Abschrägen des Randes gebildet sind. Planare und abgeschrägte Abschlüsse können kombiniert werden.
  • Aufgabe der Randabschlüsse ist es dabei, bei Anliegen einer Sperrspannung die Krümmung des Feldlinienverlaufes im Randbereich zu reduzieren und die auftretenden Feldstärken im Randbereich gegenüber den auftretenden Feldstärken im Innenbereich zu reduzieren. Besonders planare Randabschlüsse, die gegenüber abgeschrägten Abschlüssen den Vorteil besitzen, dass sie mittels herkömmlicher Dotierungs- und Abscheideschritte herstellbar sind, sind allerdings sehr platzaufwendig. Das heißt, sie erfordern zwischen der für aktive Bauelementbereiche genutzten Innenzone und dem Rand eine breite Randzone, wodurch ein nicht unerheblicher Teil der Chipfläche nicht für aktive Bauelementbereiche zur Verfügung steht.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein vertikales Halbleiterbauelement mit einem platzsparenden Randabschluss zur Verfügung zu stellen. Dieses Ziel wird durch Bauelemente gemäß der Merkmale der Ansprüche 1 und 12 erreicht.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper mit einer ersten und zweiten Seite und einem Rand, sowie einer Innenzone und einer zwischen der Innenzonen und dem Rand angeordneten Randzone. Der Halbleiterkörper umfasst eine erste Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps in der Innenzone und der Randzone sowie wenigstens eine zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps in der Innenzone, wobei zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone ein Halbleiterübergang in der Innenzone gebildet ist.
  • In der Randzone umfasst das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement wenigstens einen Graben, der sich ausgehend von einer der Seiten in den Halbleiterkörper hinein erstreckt, wobei der Halbleiterkörper in dem Graben mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt ist. Außerdem ist wenigstens eine dritte Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps, benachbart zu dem Graben in der ersten Halbleiterzone angeordnet.
  • Der wenigstens eine Graben mit der Isolationsschicht und der wenigstens einen dritten Zonen bildet einen in lateraler Richtung, also in Richtung von der Innenzone zum Rand, platzsparenden Randabschluss. Bei Anlegen einer Sperrspannung breitet sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement eine Raumladungszone ausgehend von der zweiten Halbleiterzone in Richtung des Randes nur bis zu dem Graben mit der Isolationsschicht und dann entlang der Grabenseitenwand mit der wenigstens einen dritten Halbleiterzone aus. Diese wenigstens eine dritte Halbleiterzone umschließt die Innenzone vorzugsweise ringartig und funktioniert nach Art eines Feldringes. Das Vorsehen des mit der Isolationsschicht bedeckten Grabens ermöglicht es – anders als bei bekannten Bauelementen – weiter von der Oberfläche beabstandete Halbleiterzonen des Randbereiches für die Aufnahme der Raumladungszone zu nutzen, wodurch die Abmessungen der Randzone in lateraler Richtung erheblich reduziert werden können.
  • Für die spezielle Ausgestaltung des Grabens, die Lage der dritten Halbleiterzone bezüglich des Grabens, sowie für die Anzahl der dritten Halbleiterzonen bestehen eine Vielzahl unterschiedlicher Gestaltungsmöglichkeiten.
  • Diese dritte Halbleiterzone kann wenigstens abschnittsweise unterhalb des Grabens angeordnet sein und/oder an der der Innenzone zugewandten Seite des Grabens in der Randzone angeordnet sein. Bei der einfachsten Ausführungsform ist nur eine dritte Halbleiterzone unterhalb des Grabens oder nur eine dritte Halbleiterzone an der der Innenzone zugewandten Seite des Grabens angeordnet.
  • Die wenigstens eine dritte Halbleiterzone befindet sich vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Halbleiterkörpers, ausgehend von der sich der Graben in den Halbleiterkörper hinein erstreckt, kann jedoch auch beabstandet zu dieser Oberfläche angeordnet sein.
  • Außerdem besteht die Möglichkeit, die wenigstens eine dritte Halbleiterzone an der dem Rand zugewandten Seite des Grabens anzuordnen.
  • Wie erläutert, können die unterhalb oder seitlich des wenigstens einen Grabens angeordneten dritten Halbleiterzonen beliebig kombiniert werden.
  • Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Graben wenigstens in Richtung der Innenzone eine abgestufte Seitenwand mit wenigstens einer Stufe aufweist, wobei eine dritte Halbleiterzone vorzugsweise unterhalb dieser Stufe ausgebildet ist. Bei mehreren Stufen sind dritte Halbleiterzonen vorzugsweise unter allen Stufen des Grabens angeordnet.
  • Der wenigstens eine Graben umschließt die Innenzone vorzugsweise ringförmig.
  • Bei einer Ausführungsform sind mehrere beabstandet zueinander angeordnete Gräben um die Innenzone angeordnet, von denen wenigstens einer die Innenzone vorzugsweise ringförmig umschließt.
  • Der erfindungsgemäße Randabschluss mit einem Graben, in dem eine Isolationsschicht angeordnet ist, und mit der benachbart zu dem Graben angeordneten wenigstens einen Feldringzone ist auf beliebige vertikale Bauelemente anwendbar, die eine Innenzone mit einem pn-Übergang und eine Randzone aufweisen, also beispielsweise auf Dioden, Bipolartransistoren, MOSFET, IGBT oder Thyristoren. Die erste Zone, des ersten Leitungstyps bildet dabei üblicherweise die Driftzone, auf die auf der zu der zweiten Halbleiterzone gegenüberliegenden Seite eine stärker dotierte vierte Halbleiterzone aufgebracht ist. Diese vierte Halbleiterzone ist bei Dioden und MOSFET vom selben Leitungstyps wie die Driftzone und bei IGBT komplementär zu der Driftzone dotiert.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Graben mit der Isolationsschicht in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers bis in diese stärker als die Driftzone dotierte vierte Halbleiterzone erstreckt.
  • Das Bauelement kann insbesondere als Kompensationsbauelement ausgebildet sein, bei dem in ersten Halbleiterzone (der Driftzone) abwechselnd jeweils komplementär dotierte Halbleiterzonen angeordnet sind.
  • Das oben genannte Ziel wird weiterhin durch ein Halbleiterbauelement gelöst, das einen Halbleiterkörper umfasst, der eine erste und zweite Seite und einen Rand, sowie eine Innenzone und eine zwischen der Innenzone und dem Rand angeordnete Randzone aufweist und der eine erste Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps in der Innenzone und der Randzone und wenigstens eine zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps aufweist, wobei zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone ein Halbleiterübergang in der Innenzone gebildet ist. Dieses Bauelement weist weiterhin eine auf den Rand aufgebrachte elektrisch isolierende Schicht und wenigstens eine in der Randzone angeordnete, sich an den Rand anschließende dritte Halbleiterzone des zweiten Leistungstyps auf.
  • Auch bei diesem Bauelement schließt sich an die erste Halbleiterzone vorzugsweise eine stärker als die erste Halbleiterzone dotierte Schicht des ersten oder zweiten Leitungstyps an, wobei der Rand im Bereich dieser stärker dotierten Zone vorzugsweise eine Stufe aufweist.
  • Selbstverständlich kann auch dieses Bauelement als Kompensationsbauelement mit in der Driftzone abwechselnd angeordneten Zonen des ersten und zweiten Leistungstyps ausgebildet sein. Außerdem kann auch dieses Bauelement als Diode, Bipolartransistor, MOSFET oder Thyristor ausgebildet sein.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
  • 1 ein als Diode ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einem Randbereich, in dem ein mit einem Isolationsmaterial aufgefüllter Graben angeordnet ist, und mit komplementär zu der Driftzone dotierten Halbleiterzonen im Bereich des Grabens,
  • 2 ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit mehreren Gräben im Randbereich, die mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt sind,
  • 3 ein weiteres als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss,
  • 4 ein als Diode ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einem Graben im Randbereich und mit mehreren Feldringen im Bereich einer Seite des Halbleiterkörpers,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Randabschlusses mit einem Graben im Randbereich des Bauelements und einer Feldstoppzone am Rand,
  • 6 einen weiteren erfindungsgemäßen Randabschluss, bei dem der Graben bis in eine sich an die Driftzone anschließende stärker dotierte Halbleiterzone reicht,
  • 7 einen weiteren erfindungsgemäßen Randabschluss, bei dem eine Halbleiterzone eines Innenbereiches bis an den Graben im Randbereich reicht,
  • 8 ein als MOSFET ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einer erfindungsgemäßen Randstruktur,
  • 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Randabschlusses mit einem stufenförmig ausgebildeten Graben,
  • 10 ein MOSFET mit einer Kompensationsstruktur in der Drifzone und einer erfindungsgemäßen Randstruktur,
  • 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Randabschlusses,
  • 12 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Randabschlusses mit einer oberhalb des Halbleiterkörpers angeordneten Feldplatte,
  • 13 ein als Diode ausgebildetes Halbleiterbauelement mit einem abgestuften Rand und einer unmittelbar auf den Rand aufgebrachten Isolationsschicht und einer komplementär zu der Driftzone dotierten, sich an die Isolationsschicht anschließenden Halbleiterzone,
  • 14 ein als Kompensationsbauelement ausgebildeter MOSFET mit einem Randabschluss gemäß 13,
  • 15 einen Querschnitt durch das Bauelement gemäß der 1 bei einer ersten Ausführungsform,
  • 16 einen Querschnitt durch das Bauelement gemäß 2 bei einer zweiten Ausführungsform.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleich Teile und Halbleiterbereiche mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt ausschnittsweise ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Seitenansicht in Querschnitt. Das Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer Vorderseite 101 und einer Rückseite 102, die erste und zweite Seiten des Halbleiterkörpers 100 bilden, sowie mit einem Rand 105. Der Halbleiterkörper 100 ist unterteilt in eine Innenzone 103 und eine zwischen der Innenzone 103 und dem Rand angeordnete Randzone 104. Die Innenzone 103, die flächenmäßig üblicherweise den größten Teil des Halbleiterkörpers 100 einnimmt, dient zur Realisierung aktiver Bauelementstrukturen, in dem dargestellten Beispiel zur Realisierung einer Diode, während im Randbereich 104 noch zu erläuternde Maßnahmen zur Steigerung der Spannungsfestigkeit getroffen sind. Das Bauelement umfasst eine in dem Beispiel n-dotierte erste Halbleiterzone 20, die die Driftzone des Bauelements bildet und die sowohl in der Innenzone 103 als auch in der Randzone 104 angeordnet ist, und eine in der Innenzone 103 im Bereich der Vorderseite 101 angeordnete pdotierte zweite Halbleiterzone 30, wobei im Innenbereich 103 zwischen der ersten Halbleiterzone 20 und der zweiten Halbleiterzone 30 ein pn-Übergang gebildet ist.
  • Die p-dotierte zweite Halbleiterzone 30 bildet die Anodenzone der in 1 dargestellten Diode. Rückseitig schließt sich an die Driftzone 20 eine stärker als die Driftzone 20 dotierte vierte Halbleiterzone 70 an, die die Kathodenzone der Diode bildet. Diese Kathodenzone 70 kann beispielsweise durch ein Halbleitersubstrat gebildet sein, auf das mittels Epitaxie die Driftzone 20 aufgebracht ist, in die über die Vorderseite die Anodenzone 30 unter Verwendung einer Maskentechnik mittels eines Implantations- oder Diffusionsverfahrens eingebracht wird.
  • Das Bauelement umfasst im Randbereich einen Graben 40, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in senkrechter Richtung in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt, wobei der Halbleiterkörper 100 in dem Graben 40 mit einer elektrisch isolierenden Schicht 50 bedeckt ist. Der Graben 40 ist in dem Ausführungsbeispiel vollständig mit der elektrisch isolierenden Schicht 50 aufgefüllt, die sich in dem Beispiel an der Vorderseite 101 bis an den Rand 105 und in der entgegengesetzten Richtung bis über die Anodenzone 30 erstreckt.
  • Anschließend an den Graben 40 sind p-dotierte dritte Halbleiterzonen 60, 61, 62 angeordnet, wobei eine diese Halbleiterzonen 60 in dem Ausführungsbeispiel unterhalb des Grabens 40 und die beiden anderen Halbleiterzonen 61, 62 entlang der Seitenwand des Grabens 40 an der dem Rand 105 abgewandten Seite angeordnet sind. Eine Halbleiterzone 62 dieser dritten Halbleiterzonen ist dabei unmittelbar unterhalb der Vorderseite 101 angeordnet, während die andere 61 dieser Halbleiterzonen 61, 62 zwischen der Halbleiterzone 62 an der Vorderseite 101 und der Halbleiterzone 60 angeordnet ist. Die unterhalb des Grabens 40 angeordnete Halbleiterzone 60 reicht in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers über die unteren Ränder des Grabens 40 hinaus.
  • Der Graben 40 umgibt die Innenzone 103 vorzugsweise ringförmig, wie dies beispielhaft in 15 dargestellt ist, die einen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 1 entlang der dort dargestellten Schnittlinie A-A zeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass 15 lediglich dazu dient, die die Innenzone 103 umgebende Randstruktur zu erläutern, dass diese 15 aber nicht maßstäblich ist, da bei üblichen Bauelementen die Innenzone flächenmäßig einen wesentlich größeren Raum als die Randzone einnimmt. Die dritten Halbleiterzonen 60, 61, 62, die als Feldringe dienen, umgeben die Innenzone 103 vorzugsweise ebenfalls vollständig.
  • Der Randabschluss mit dem Graben 40 und den dritten Halbleiterzonen 60, 61, 62 benachbart zu dem Graben 40 dient zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelementes im Randbereich bei Anlegen einer Sperrspannung, wie nachfolgend erläutert ist.
  • Bei Anlegen einer Sperrspannung zwischen dem Anodenanschluss A und dem Kathodenanschluss K bzw. zwischen der zweiten Halbleiterzone 30 und der stark dotierten vierten Halbleiterzone 70 breitet sich in der als Driftzone dienenden ersten Halbleiterzone 20 eine Raumladungszone ausgehend von dem pn-Übergang aus. Die gestrichelten Linien in 1 zeigen die Grenzen dieser Raumladungszone für verschiedene Sperrspannungen U1, U2, U3 und U4, wobei U1 betragsmäßig kleiner als U2, U2 betragsmäßig kleiner als U3 und U3 betragsmäßig kleiner als U4 ist. Die p-dotierten Feldringe 60, 61, 62 bewirken an der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40, dass sich die Raumladungszone benachbart zu dem Graben bei einer gegebenen Sperrspannung in vertikaler Richtung weniger weit in dem Halbleiterkörper ausbreitet als in der Innenzone 103. Der Spannungsdurchbruch des Bauelements tritt ein, wenn die Raumladungszone die stärker dotierte Halbleiterzone 70 im Bereich der Rückseite 102 erreicht, wie dies für die Sperrspannung U4 dargestellt ist. Der Graben 40 mit der Isolationsschicht 50 bewirkt, dass sich erst kurz vor Erreichen der Durchbruchspannung die Raumladungszone unterhalb des Grabens 40 in Richtung des Randes ausbreitet, wobei selbst im Durchbruchsfall große Teile des ersten Halbleiterbereiches 20 zwischen dem Graben 40 und dem Rand 105 nicht von der Raumladungszone erfasst sind.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der Graben 40, von dem wenigstens die Seitenwände in dem Halbleiterköper 100 mit einer Isolationsschicht 50 bedeckt sind, zusammen mit den kom plementär zu der Driftzone 20 dotierten Feldringen 60, 61, 62 die Ausbreitung der Raumladungszone im Randbereich, und damit die Feldstärken im Randbereich, reduziert, wodurch die Spannungsfestigkeit im Randbereich 104 gegenüber der Spannungsfestigkeit im Innenbereich 103 erhöht ist.
  • Wie für ein Ausführungsbeispiel in dem Querschnitt in 16 dargestellt ist kann der Graben 50 auch mehrere beabstandet zueinander angeordnete Abschnitte aufweisen, die zusammen die Innenzone 103 ringförmig umgeben.
  • Wenngleich der erfindungsgemäße Randabschluss in 1 im Zusammenhang mit einer Diode erläutert wurde, so sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Randabschluss nicht auf Dioden beschränkt ist. Dieser Randabschluss kann vielmehr bei beliebigen vertikalen Halbleiterbauelementen verwendet werden, die in ihrer Innenzone einen pn-Übergang aufweisen, der bei Anlegen einer Sperrspannung an das Bauelement sperrt und ausgehend von dem sich im Sperrfall eine Raumladungszone in dem Halbleiterbauelement ausbreitet.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Randabschlusses anhand einer Diode, wobei sich dieser Randabschluss von dem in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass mehrere Gräben 40, 42, 44 vorhanden sind, die in dem Randbereich 104 in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zueinander angeordnet sind und die sich ausgehend von der Vorderseite 101 unterschiedlich tief in den Halbleiterkörper hinein erstrecken. Der dem Rand 105 am nächsten liegende Graben 40 besitzt dabei sowohl in vertikaler Richtung als auch in lateraler Richtung die größten Abmessungen der in dem Beispiel dargestellten drei Gräben, wobei die Abmessungen der Gräben 40, 42, 44 in Richtung der Innenzone 103 abnehmen, d. h. der am nächsten zur Innenzone 103 gelegene Graben erstreckt sich von den vorhandenen Gräben 40, 42, 44 am wenigsten tief in den Halbleiterkörper hinein und besitzt in lateraler Richtung die kleinsten Abmessungen der drei Gräben. Der äußerste, dem Rand 105 am nächsten liegende Graben 40 umgibt die Innenzone 103 vorzugsweise ringförmig in einer Weise, die bereits anhand von 15 erläutert wurde. Die weiteren Gräben 42, 44 können die Innenzone 103 ebenfalls ringförmig umgeben, können jedoch auch aus einer Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Löcher bestehen, die die Innenzone 103 zusammen ringförmig umgeben, wie dies beispielsweise anhand von 16 erläutert wurde.
  • Bei dem Bauelement gemäß 2 ist jedem der Gräben 40, 42, 44 eine p-dotierte Zone 60, 63, 64 zugeordnet, wobei diese pdotierten Zonen 60, 63, 64 jeweils unterhalb der Gräben 40, 42, 44 angeordnet sind. Diese p-dotierten Zonen 60, 63, 64 werden beispielsweise nach dem Herstellen der Gräben 40, 42, 44 und noch vor dem Abscheiden der Isolationsschicht 50 dadurch hergestellt, dass p-Dotiertstoffatome in die Böden der Gräben 40, 42, 44 implantiert und anschließend ausdiffundiert werden. Aufgrund der Diffusion erstrecken sich die p-Gebiete 60, 63, 64 in lateraler Richtung über die Abmessungen der Gräben 40, 42, 44 hinaus. Entsprechend dem Beispiel in 1 sind auch die Gräben 40, 42, 44 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 vollständig mit einem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt, das abschnittsweise auch oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet ist und das in einer Richtung bis an den Rand 105 und in der anderen Richtung bis über die p-dotierte zweite Halbleiterzone 30 reicht. Wenngleich auch das Bauelement in 2 als Diode ausgebildet ist, so sei darauf hingewiesen, dass der dargestellte Randabschluss für beliebige Bauelemente mit einem pn-Übergang in der Innenzone geeignet ist.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Randabschlusses für ein Halbleiterbauelement, wobei sich dieser Randabschluss von dem in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass lediglich eine pdotierte Halbleiterzone 60 unterhalb des Grabens 40 und nur die p-dotierte Halbleiterzone 62 unterhalb der Vorderseite 101 vorhanden ist, während auf die in 1 dargestellte weitere p-dotierte Halbleiterzone an der Seitenwand des Grabens 40 verzichtet ist.
  • 4 zeigt eine Abwandlung des in 3 dargestellten Randabschlusses, wobei sich der Randabschluss in 4 von dem in 3 dargestellten dadurch unterscheidet, dass neben dem Graben 40 und den unmittelbar benachbart zu dem Graben angeordneten Halbleiterzonen 60, 62 zusätzliche Feldringe 65, 66, die beabstandet zueinander und beabstandet zu der Halbleiterzone 62 angeordnet sind, unterhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers liegen.
  • 5 zeigt eine weitere Abwandlung des in 3 dargestellten Randabschlusses, wobei das Bauelement gemäß 5 eine stark n-dotierte Feldstopzone 80 anschließend an den Rand 105 und unterhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 aufweist. Der Graben 40 ist wiederum vollständig mit dem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt. Oberhalb der Vorderseite 101 ist bei diesem Ausführungsbeispiel keine Isolationsschicht angeordnet, wobei darauf hingewiesen wird, dass das Vorhandensein einer Isolationsschicht für das grundsätzliche Funktionieren des Randabschlusse nicht notwendig ist. Die gestrichelte Linie in 5 veranschaulicht die Grenze der Raumladungszone im Durchbruchsfall.
  • 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, bei dem sich der Graben 40 ausgehend von der Vorderseite 101 durch die als Driftzone dienende erste Halbleiterzone 20 bis in die stark dotierte Halbleiterzone 70 im Bereich der Rückseite 102 des Halbleiterkörpers 100 erstreckt. Entlang der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40 sind p-dotierte Feldringzonen 61, 67, 68 in der Driftzone 20 angeordnet. Die p-dotierte zweite Halbleiterzone 30, die bei einer Diode deren Anodenzone bildet, erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel in lateraler Richtung bis an den Graben 40, der mit dem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt ist. Da sich der Graben 40 bei diesem Ausführungsbeispiel bis in die stark dotierte Halbleiterzone 70 erstreckt, kann sich in dem Abschnitt des Halbleiterkörpers 100 zwischen dem Graben 40 und dem Rand 105 im Sperrfall keine Raumladungszone ausbilden.
  • 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Halbleiterbauelementes mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss, bei dem sich die p-dotierte zweite Halbleiterzone 30 in lateraler Richtung bis an den Graben 40 erstreckt. Der Graben 40, der mit dem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt ist, reicht in vertikaler Richtung nicht bis an die stark-dotierte Halbleiterzone 70. Benachbart zu dem Graben 40 sind zwei p-dotierte Feldringzonen 60, 61 angeordnet, wobei eine der Feldringzone 60 unterhalb des Grabens 40 und die andere an einer dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40 beabstandet zu der Vorderseite 101 angeordnet ist. Unterhalb der Vorderseite 101 erstreckt sich in lateraler Richtung zwischen dem Graben 40 und dem Rand eine stark n-dotierte Kanalstopzone 80.
  • 8 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt durch einen MOSFET bzw. IGBT mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss. Die erste n-dotierte Halbleiterzone 20, die im Innenbereich 103 und im Randbereich 104 angeordnet ist, bildet die Driftzone des MOSFET 20. Im Gegensatz zu den bislang erläuterten Dioden weist der MOSFET/IGBT mehrere p-dotierte Halbleiterzonen 30 im Bereich der Vorderseite 101 auf, die die Body-Zonen des Bauelements bilden. In diesen Body-Zonen 30 sind jeweils stark n-dotierte Source-Zonen 35 angeordnet, die an der Vorderseite 101 mittels einer Source-Elektrode 92 kontaktiert sind, wobei diese Source-Elektrode in den Ausführungsbeispielen die Source-Zonen 35 und die Body-Zonen 30 kurzschließt. Bei dem dargestellten Bauelement, das als sogenanntes DMOS-Bauelement ausgebildet ist, sind oberhalb der Vorderseite 101 Gate-Elektroden 90 angeordnet, die mittels Gate-Isolationsschichten 52 isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 angeordnet sind. Das Bauelement ist zellenartig aufgebaut, besitzt also eine Vielzahl gleichartiger Strukturen mit jeweils einer Body-Zone 30, einer Source-Zone 35 und einer Gate-Elektrode 90, wobei allen Zellen die rückseitige Drain-Zone 70 gemeinsam ist.
  • Im Randbereich 104 des Bauelementes erstreckt sich ein Graben 40 ausgehend von der Vorderseite 101 in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper, wobei der Graben 50 mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt ist und wobei benachbart zu dem Graben 40 Ringzonen 60, 61, 67 angeordnet sind, von denen eine Ringzone 60 unterhalb des Grabens 40 und die beiden anderen 61, 67 an der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40 angeordnet sind.
  • An die Driftzone 20 schließt sich an der der Vorderseite 101 abgewandten Seite die stark dotierte Halbleiterzone 70 an, die bei MOSFET n-dotiert ist und bei IGBT stark p-dotiert ist und die die Drain-Zone bildet. Eine der Body-Zonen 30 reicht bei dem dargestellten Bauelement bis an den Graben 40 mit der Isolationsschicht 50, wobei die in dieser Body-Zone 30 angeordnete Source-Zone 35 nicht durch die Source-Elektrode 92 kontaktiert ist.
  • Die gestrichelte Linie im Randbereich 104 veranschaulicht die Grenze der Raumladungszone im Sperrfall bei Erreichen der Durchbruchspannung. Wie auch bei den zuvor erläuterten Dioden breitet sich bei dem dargestellten MOSFET/IGBT ausgehend von den pn-Übergängen zwischen den Body-Zonen 30 und der Driftzone 20 eine Raumladungszone aus, wenn eine entsprechende Sperrspannung zwischen der rückseitigen Drain-Zone 70 und der Source-Elektrode S, 92 angelegt wird und wenn die Gate-Elektroden G nicht angesteuert sind.
  • 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss. Bei dem dargestellten Bauelement ist der Graben 40, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper 100 hineinerstreckt stufenförmig ausgebildet und weist sowohl in Richtung der Innenzone 103 als auch in Richtung des Randes 105 Stufen 41, 42, 43, 44 auf. P-dotierte Feldringzonen 60, 60A, 60B, 60C, 60D sind dabei unterhalb des tiefsten Punktes (der untersten Stufe) des Grabens und unterhalb jeder der weiteren Stufen 41, 42, 43, 44 des Grabens angeordnet. Der Halbleiterkörper 100 ist in dem Graben von der Isolationsschicht 50 überdeckt, die auch Teile der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers überdeckt.
  • 10 zeigt einen Randabschluss mit abgestuftem Graben 40 für einen als Kompensationsbauelement ausgebildeten MOSFET. Der MOSFET weist im Bereich der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers 100 eine bereits anhand von 8 erläuterte zellenartige Struktur mit Body-Zonen 30, Source-Zonen 35 und Gate-Elektroden 90 auf. Die Driftzone des MOSFET ist bei dem dargestellten Bauelement nicht homogen dotiert sondern umfasst abwechselnd n-dotierte Halbeiterzonen 20 und p-dotierte Halbleiterzonen 22, die im dargestellten Beispiel streifenförmig ausgebildet sind, die jedoch eine beliebige hinlänglich bekannte Struktur besitzen können. Diese abwechselnd ndotierten und p-dotierten Halbleiterzonen 20, 22 räumen sich bei Anlegen einer Sperrspannung in hinlänglich bekannter Weise gegenseitig aus, woraus eine gegenüber Bauelementen ohne derartige Kompensationsstruktur erhöhte Sperrspannung resultiert.
  • Der Graben 40 weist in dem Ausführungsbeispiel Stufen 43, 44, 45 an der dem Rand 105 abgewandten Seite auf, wobei unterhalb des ausgehend von der Vorderseite 101 tiefsten Punktes des Grabens 40 eine p-dotierte Feldringstruktur 60 angeordnet ist und wobei unterhalb jeder der Stufen 43, 44, 45 p-dotierte Feldringzonen 60C, 60D, 60E angeordnet sind. Eine weitere Feldringstruktur 62 ist benachbart zu dem Graben 40 und unmittelbar unterhalb der Vorderseite 101 an der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens angeordnet.
  • 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Randabschluss, wobei in 11 lediglich die Randzone eines Halbleiterkörpers 100 dargestellt ist. In der nicht dargestellten Innenzone des Halbleiterkörpers 100 kann eine beliebige Bauelementstruktur mit einem pn-Übergang, beispielweise eine der zuvor erläuterten Diodenstrukturen oder MOSFET-Strukturen angeordnet sein. Das Bauelement umfasst im Randbereich 104 neben dem Graben 40, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper hinein erstreckt, in der ersten Halbleiterzone 20 p-dotierte Kompensationszonen 22, die floatend angeordnet sind, wobei dieses Kompensationszonen 22 im Randbereich 104 sowohl an der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40 als auch unmittelbar benachbart zu dem Rand 105 angeordnet sind. Diese Kompensationszonen 22 erstrecken sich in dem Beispiel säulenförmig ausgehend von der Vorderseite 101 in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper hinein und sind im Querschnitt beispielsweise als Säulen ausgebildet, können jedoch auch eine beliebige andere Geometrie aufweisen.
  • Entlang beider Seiten des Grabens 40, also entlang der dem Rand 105 zugewandten Seite und auch entlang der dem Rand 105 abgewandten Seite sind p-dotierte Feldringzonen 61A, 61B, 67A, 67B, 68A, 68B jeweils beabstandet zueinander angeordnet. Die Dotierung der Kompensationszonen 22 und der Driftzone 20 des Bauelementes sind so aufeinander abgestimmt, dass sich die n-dotierten Abschnitte 20 der Driftzone und die pdotierten Abschnitte 22 im Sperrfall vollständig ausräumen, während die Feldringzonen 61A-68B so stark p-dotiert sind, dass diese im Sperrfall nicht vollständig ausgeräumt werden.
  • Der erfindungsgemäße Randabschluss mit wenigstens einem sich in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckenden Graben 40 und der darin genannte angeordneten Isolationsschicht sowie mit der wenigstens einen sich an den Graben anschließenden Feldringzone kann mit beliebigen weiteren Maßnahmen zur Steigerung der Spannungsfestigkeit im Randbereicht kombiniert werden, wie beispielhaft anhand von 12 erläutert wird. 12 zeigt einen erfindungsgemäßen Randabschluss mit einem Graben 40, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper hinein erstreckt. Unmittelbar anschließend an den Graben 40 sind mehrere Feldringzonen 60A, 60B, 61A, 61B, 62A, 62B angeordnet, wobei in dem Beispiel eine der Feldringzonen unterhalb des Grabens 40 und andere Feldringzonen 61A-62B entlang der Seiten des Grabens 40 angeordnet sind. Im Anschluss an den Rand 105 und unterhalb der Vorderseite 101 ist eine stark n-dotierte Kanalstoppzone 80 angeordnet, die elektrisch leitend mit einer Feldplatte 94 verbunden ist, die isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 oberhalb der Vorderseite 101 angeordnet ist. Diese Anordnung mit der Kanalstoppzone 80 und der Feldplatte 94, die eine bekannte Anordnung zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Randbereich 104 darstellt, ist in dem Beispiel gemäß 12 mit dem erfindungsgemäßen Randabschluss zur weiteren Steigerung der Spannungsfestigkeit im Randbereich kombiniert. Die gestrichelte Linie in 12 veranschaulicht die Raumladungszone im Durchbruchsfall, wobei deutlich wird, das diese Raumladungszone an der stark n-dotierten Kanalstopzone 80 endet und in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers dank der Randstruktur mit dem Graben 40 nicht bis an den Rand 105 des Halbleiterkörpers 100 reicht.
  • Das erfindungsgemäße Randabschlusskonzept mit einer in vertikaler Richtung eines Halbleiterkörpers verlaufenden Isolationsschicht und sich einer an die Isolationsschicht anschließenden wenigstens einen Feldringzone erfordert nicht notwendigerweise einen sich in den Halbleiterkörper hinein erstreckenden Graben, wie nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele in den 13 und 14 erläutert wird. Bei diesen Bauelementen wird ein Randabschluss im Randbereich 104 des Halbleiterkörpers 100 dadurch gebildet, dass eine Isolationsschicht 52 unmittelbar auf den Rand 100 des Halbleiterkörpers aufgebracht ist. Im Halbleiterkörper 100 schließt sich in der ersten Halbleiterzone 20 unmittelbar an die Isolationsschicht 52 wenigstens eine Feldringzone 61 (in 13) bzw. 61, 62, 67, 68 (in 14) an. Die Bauelemente gemäß der 13 und 14 umfassen im Bereich der Rückseite 102 jeweils eine stark n-dotierte Halbleiterzone 70, die bei dem als Diode ausgebildeten Bauelement in 13 die Kathodenzone bildet und die bei dem als MOSFET ausgebildeten Bauelement in 14 dessen Drain-Zone bildet. Der Halbleiterkörper 100 ist im Randbereich 104 derart abgestuft, dass der Rand 105 einen vertikalen Abschnitt 105A und einen lateralen Abschnitt 105B entlang der stark-dotierten Halbleiterzone 70 aufweist. Die Isolationsschicht 52 überdeckt beide Abschnitte 105A, 105B des Randes und reicht im Randbereich 104 bis über die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers. Die Driftzone 20 kann, wie bei dem Bauelement in 13, homogen dotiert sein. Die Driftzone kann jedoch auch wie bei dem Bauelement in 14 eine Kompensationsstruktur mit abwechselnd p-dotierten und ndotierten Bereichen 20, 22 aufweisen. Die Feldringzonen 61, 62, 67, 68 bei dem Kompensationsbauelement gemäß 14 sind dabei so stark dotiert, dass diese Feldringzonen 61–68 im Sperrfall nicht vollständig ausgeräumt werden, während die in der Driftzone benachbart zueinander angeordneten ndotierten und p-dotierten Halbleiterzonen 20, 22 im Sperrfall vollständig ausgeräumt werden.
    •
    • 100
    Halbleiterkörper
    101
    Vorderseite des Halbleiterkörpers
    102
    Rückseite des Halbleiterkörpers
    105
    Rand
    103
    Innenzone
    104
    Randzone
    40
    Graben
    50, 52
    Isolationsmaterial
    A
    Anodenanschluss
    K
    Kathodenanschluss
    S
    Source-Anschluss
    G
    Gate-Anschluss
    D
    Drain-Anschluss
    60–68
    Feldringzonen
    20
    erste Halbleiterzone, Driftzone
    30
    zweite Halbleiterzone, Anodenzonen, Bodyzone
    70
    vierte Halbleiterzone, Kathodenzone, Drainzone
    35
    fünfte Halbleiterzone, Source-Zone
    90
    Gate-Elektrode
    92
    Soruce-Elektrode
    105A
    vertikaler Randabschnitt
    105B
    lateraler Randabschnitt

Claims (16)

  1. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten und zweiten Seite (101, 102) und einem Rand (105), sowie einer Innenzone (103) und einer zwischen der Innenzone (103) und dem Rand (105) angeordneten Randzone (104), – eine erste Halbleiterzone (20) eines ersten Leitungstyps in der Innenzone (103) und der Randzone (104) und wenigstens eine zweite Halbleiterzone (30) eines zweiten Leitungstyps, wobei zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone (20, 30) ein Halbleiterübergang in der Innenzone (103) gebildet ist, gekennzeichnet, durch – wenigstens einen Graben (40, 42, 44), der sich ausgehend von einer der Seiten (101) in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckt, wobei der Halbleiterkörper (100) in dem Graben mit einer elektrisch isolierende Schicht (50) bedeckt ist, – wenigstens eine dritte Halbleiterzone (60-69) des zweiten Leitungstyps, die benachbart zu dem Graben in der ersten Halbleiterzone (20) angeordnet ist.
  2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens eine dritte Halbleiterzone (60, 60A, 60B, 60C, 60D) wenigstens abschnittsweise unterhalb des Grabens (40) angeordnet ist.
  3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wenigstens eine dritte Halbleiterzone (61, 62) an der der Innenzone (103) zugewandten Seite des Grabens (40) in der Randzone angeordnet ist.
  4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem die wenigstens eine dritte Halbleiterzone (62) unmittelbar unterhalb der Seite (101), ausgehend von der sich der Graben (40) in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckt, angeordnet ist.
  5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem die wenigstens eine dritte Halbleiterzone (61, 67) beabstandet zu der Seite (101), ausgehend von der sich der Graben (40) in den Halbleiterkörper (100) hinein erstreckt, angeordnet ist.
  6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die wenigstens eine dritte Halbleiterzone (61B, 67B, 68B) auf der dem Rand (105) zugewandten Seite des Grabens (40) in der Randzone (104) angeordnet ist.
  7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem der Graben wenigstens in Richtung der Innenzone (103) eine abgestufte Seitenwand mit wenigstens einer Stufe (41–45) aufweist, wobei die wenigstens eine dritte Halbleiterzone (60A–60D) unterhalb dieser Stufe ausgebildet ist.
  8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Graben (40, 42, 44) die Innenzone (103) ringförmig umschließt.
  9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem mehrere beabstandet zueinander angeordnete Gräben (40, 42, 44) um die Innenzone (103) angeordnet sind.
  10. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sich an die erste Halbleiterzone (20) eine stärker als die erste Halbleiterzone (20) vierte dotierte Schicht (70) des ersten oder zweiten Leitungstyps anschließt.
  11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, bei dem der Graben (40) bis in die stärker dotierte Schicht (70) reicht.
  12. Halbleiterbauelement, das folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (100) mit einer ersten und zweiten Seite (101, 102) und einem Rand (105), sowie einer Innenzone (103) und einer zwischen der Innenzonen (103) und dem Rand (105) angeordneten Randzone (104), – eine erste Halbleiterzone (20) eines ersten Leitungstyps in der Innenzone (103) und der Randzone (104) und wenigstens eine zweite Halbleiterzone (30) eines zweiten Leitungstyps, wobei zwischen der ersten und zweiten Halbleiterzone (20, 30) ein Halbleiterübergang in der Innenzone (103) gebildet ist, gekennzeichnet durch, – eine auf den Rand (105) aufgebrachte elektrisch isolierende Schicht (50), – wenigstens eine in der Randzone (104) angeordnete, sich an den Rand anschließende dritte Halbleiterzone des zweiten Leistungstyps.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, bei dem sich an die erste Halbleiterzone (20), eine stärker als die erste Halbleiterzone (20) vierte dotierte Schicht (70) des ersten oder zweiten Leitungstyps anschließt.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem der Rand im Bereich der stärker dotierten Schicht (70) eine Stufe aufweist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in der ersten Halbleiterzone (20) Kompensationszonen (22) des zweiten Leitungstyps ausgebildet sind.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in der zweiten Halbleiterzone (30) eine Halbleiterzone (35) des ersten Leitungstyps ausgebildet ist und bei dem eine Steuerelektrode isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper benachbart zu dieser Halbleiterzone (35) und der zweiten Halbleiterzone (35) angeordnet ist.
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