DE112005002852B4 - Passivierungsstruktur mit Spannungsausgleichschleifen - Google Patents

Passivierungsstruktur mit Spannungsausgleichschleifen Download PDF

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Abstract

Halbleiter-Bauelement, das Folgendes umfasst:
einen Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps,
ein in dem Halbleiterkörper ausgebildetes aktives Gebiet, das ein Gebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, das in der Nähe der äußeren Grenze des aktiven Gebietes endet, und
eine Passivierungsstruktur, die um das aktive Gebiet herum angeordnet ist und
ein durchgängiges Band aus Widerstandsmaterial mit im Wesentlichen gleichmäßiger Breite, wobei sich das durchgängige Band nach einer Umrundung des aktiven Gebietes mit sich selbst kreuzt und eine erste geschlossene Schleife aus einem Widerstandsmaterial bildet, die als innere Grenze der Passivierungsstruktur dient, ein schleifenbildendes Band aus dem Widerstandsmaterial aufweist, das die erste geschlossene Schleife unter Bildung von Schleifen umgibt, ohne sich zu kreuzen, wobei das durchgängige Band sich ein zweites Mal mit sich selbst kreuzt und um die erste geschlossene Schleife herum eine zweite geschlossene Schleife aus dem Widerstandsmaterial bildet, die als äußere Grenze der Passivierungsstruktur dient,
wobei das schleifenbildende Band an einem Ende von dem Außenrand der ersten geschlossenen Schleife aus verläuft und an seinem anderen Ende an dem Innenrand der zweiten geschlossenen Schleife endet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement und insbesondere ein Halbleiter-Bauelement, das eine Randpassivierungsstruktur aufweist.
  • Ein typisches Halbleiter-Bauelement weist in der Regel ein aktives Gebiet auf, das an einem pn-Übergang endet.
  • Die Durchschlagsspannung eines in einem Substrat ausgebildeten pn-Übergangs ist in der Regel geringer als ihr theoretischer Grenzwert, da bestimmte Stellen an dem pn-Übergang dazu neigen, stärkere elektrische Felder zu entwickeln. Der pn-Übergang an dem Abschlussrand des aktiven Gebietes eines Bauelements ist beispielsweise insbesondere an Stellen mit geringem Krümmungsradius stärkeren elektrischen Feldern ausgesetzt.
  • Um die Intensität der elektrischen Felder in der Nähe des pn-Übergangs an dem Abschlussrand des aktiven Gebietes zu reduzieren, können Hochspannungshalbleiter-Bauelemente eine Randpassivierungsstruktur aufweisen. Eine Randpassivierungsstruktur sorgt für eine Übergangszone, in der die starken elektrischen Felder um das aktive Gebiet herum allmählich zu dem niedrigeren Potential an dem Rand des Bauelements übergehen. Eine Passivierungsstruktur verringert die Feldstärke um das Abschlussgebiet eines pn-Übergangs, indem die elektrischen Feldlinien über das Randpassivierungsgebiet verteilt werden.
  • US 5 382 825 A erläutert verschiedene Passivierungsstrukturen und ihre jeweiligen Nachteile. Um die dort erläuterten Passivierungsstrukturen des Standes der Technik zu verbessern, offenbart US 5 382 825 A eine Passivierungsstruktur, die ein spiralförmiges Band aus Widerstandsmaterial enthält, das um das aktive Gebiet eines Halbleiter-Bauelements herum angeordnet ist, damit die elektrischen Felder in der Nähe des Abschlussgebietes eines pn-Übergangs bei einem Halbleiter-Bauelement allmählich abgebaut werden.
  • US 5 382 825 A offenbarte spiralförmige Band kreuzt sich jedoch nicht. Infolgedessen bestimmt die Position des Endes des spiralförmigen Bandes, das sich am nächsten bei dem aktiven Gebiet befindet, die Anfangsspannung, bei der der Spannungsabfall um das aktive Gebiet herum beginnt. Diese Anfangsspannung ist jedoch möglicherweise nicht repräsentativ für die Stärke des um das aktive Gebiet herum vorliegenden elektrischen Feldes.
  • Zum Ausgleichen der Spannung schlägt US 5 382 825 A das Ausbilden einer Feldplatte um das aktive Gebiet herum vor. Die für die Feldplatte vorgeschlagene Breite beträgt das Dreifache der Tiefe des pn-Übergangs, der das aktive Gebiet umgibt. Diese Breite würde auf der Oberfläche des Chips (die) eine große Fläche einnehmen und diesen dadurch vergrößern.
  • Das spiralförmige Band weist zudem eine variierende Breite auf, so dass der Widerstand des Bandes über seine Länge hinweg ausgeglichen wird. Ein solches Band ist in der Praxis möglicherweise nur schwer mit Präzision herzustellen. Infolgedessen kann der Widerstand an dem Band entlang auf unvorhersehbare Weise variieren, was statt zu einem gleichmäßigen, fast linearen Spannungsabfall zu Schwankungen beim Spannungsabfall führt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Passivierungsstruktur bereitzustellen, um die elektrischen Felder um das aktive Gebiet eines Halbleiterchips herum zu reduzieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Passivierungsstruktur ein leitfähiges Band aus Widerstandsmaterial auf, das sich einmal kreuzt und eine erste geschlossene Schleife bildet und dann endet, indem es sich ein zweites Mal kreuzt und eine zweite geschlossene Schleife bildet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die erste geschlossene Schleife aus einem elektrisch leitfähigen Widerstandsmaterial um das aktive Gebiet eines Halbleiter-Bauelements herum angeordnet und dient als innere Grenze der Passivierungsstruktur, die zweite geschlossene Schleife aus dem Widerstandsmaterial ist um die erste geschlossene Schleife herum angeordnet und dient als äußere Grenze der Passivierungsstruktur, und ein schleifenbildendes Band aus dem Widerstandsmaterial mit der gleichen Breite wie die innere geschlossene Schleife und die äußere geschlossene Schleife umgibt die erste geschlossene Schleife unter Bildung von Schleifen, ohne sich zu kreuzen, und endet an der zweiten geschlossenen Schleife.
  • Die innere geschlossene Schleife und die äußere geschlossene Schleife sorgen für eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannung an den Enden des schleifenbildenden Bandes, und da die innere geschlossene Schleife und die äußere geschlossene Schleife ungefähr die gleiche Breite aufweisen wie das durchgängige Band, nehmen sie wesentlich weniger Platz in Anspruch als die im Stand der Technik vorgeschlagenen Feldplatten.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das durchgängige Band so dotiert, dass es pn-Übergänge aufweist, die für schrittweise (statt stufenlos) erfolgende Spannungsabfälle entlang des durchgängigen Bandes sorgen.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zumindest über den pn-Übergängen in dem durchgängigen Band eine leitfähige Metallschicht abgeschieden, um dessen Zeitkonstante RC zu verbessern (reduzieren) und den Gesamtwiderstand zu reduzieren.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Passivierungsstruktur gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Passivierungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Passivierungsstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Passivierungsstruktur gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Passivierungsstruktur gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt eine Draufsicht auf eine Passivierungsstruktur gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt eine entlang Linie 7-7 in 4 in Richtung der Pfeile verlaufende Querschnittsansicht einer Passivierungsstruktur.
  • Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in 2 handelt es sich um ein Halbleiter-Bauelement 10, das ein aktives Gebiet 12 aufweist, das auf einer Hauptoberfläche eines Halbleiterchips 14 ausgebildet ist. Das aktive Gebiet 12 kann aktive Elemente enthalten, die ein bestimmtes Halbleiter-Bauelement bilden, wie beispielsweise einen Leistungs-MOSFET, einen Leistungs-IGBT, ein bipolares Leistungsbauelement, eine Leistungsdiode usw. Das Bauelement 10 enthält die um das aktive Gebiet 12 herum ausgebildete Passivierungsstruktur 16. Die Passivierungsstruktur 16 wird aus einem leitfähigen durchgängig Band aus Widerstandsmaterial wie n-dotiertem Polysilizium gebildet und weist eine innere geschlossene Schleife 18 auf, die direkt um das aktive Gebiet 12 herum angeordnet ist, sowie eine äußere geschlossene Schleife 20, die um die innere geschlossene Schleife 18 herum ausgebildet ist und als äußere Grenze der Passivierungsstruktur 16 dient. Die innere geschlossene Schleife 18 weist eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken auf und enthält daher zwei Paar gerade, parallele Seiten, die über vier Bögen miteinander verbunden sind. Die äußere geschlossene Schleife 20 weist im Wesentlichen die gleiche Form auf wie die innere geschlossene Schleife. Zwischen der inneren geschlossenen Schleife 18 und der äußeren geschlossenen Schleife 20 ist ein schleifenbildendes Band 22 aus Widerstandsmaterial angeordnet, das an der inneren geschlossenen Schleife 18 beginnt und diese unter Bildung von Schleifen umgibt, ohne sich zu kreuzen, und an der äußeren geschlossenen Schleife 20 endet.
  • In Abhängigkeit von dem gewünschten Gesamtwiderstand und dem spezifischen Widerstand jeder Schleife kann eine beliebige Anzahl Schleifen benutzt werden.
  • Die innere geschlossene Schleife 18 wird dadurch gebildet, dass sich das Widerstandsband einmal mit sich selbst kreuzt, bevor die mehreren Schleifen des schleifenbildenden Bandes 22 beginnen, und die äußere geschlossene Schleife 20 wird dadurch gebildet, dass sich das durchgängige Band ein zweites Mal mit sich selbst kreuzt, bevor er endet. Die beiden geschlossenen Schleifen dienen dem Spannungsausgleich an jedem Ende des schleifenbildenden Bandes 22, was um das aktive Gebiet 12 herum einen gleichmäßigeren Spannungsabfall ermöglicht.
  • Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Ende eines schleifenbildenden Bandes 22 mit einer geraden Seite 24 der inneren geschlossenen Schleife 18 verbunden und verläuft zunächst in einem Winkel zu der einen geraden Seite 24 und dann für seine erste Schleife parallel zur äußere Grenze der inneren geschlossenen Schleife 18. Das schleifenbildende Band 22 verläuft danach mit seiner ersten Schleife parallel zu der inneren geschlossenen Schleife 18 und endet an einer geraden Seite 26 der äußeren geschlossenen Schleife 20. Es sei angemerkt, dass das schleifenbildende Band 22 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung an einer Seite der äußeren geschlossenen Schleife 20 endet, die das gleiche positionsbezogene Verhältnis aufweist wie die Seite der inneren geschlossenen Schleife 18, von der der schleifenbildende Band 22 ausgeht. Das schleifenbildende Band 22 beginnt insbesondere beispielsweise an der rechten geraden Seite 24 der inneren geschlossenen Schleife 18 und endet an der rechten geraden Seite 26. Infolgedessen bedeckt das schleifenbildende Band 22 auf allen Seiten der inneren geschlossenen Schleife 18 im Wesentlichen die gleiche Fläche. Wie beispielsweise in 2 zu sehen ist, umwindet das schleifenbildende Band 22 unter Schleifenbildung die innere geschlossene Schleife 18 neunmal.
  • Jede Schleife des schleifenbildenden Bandes 22 liegt vorzugsweise in dem gleichen Abstand zu einer danebenliegenden Schleife, und das schleifenbildende Band 22 weist im Wesentlichen durchgehend die gleiche Breite auf.
  • Außerdem weisen die innere geschlossene Schleife 18 und die äußere geschlossene Schleife 20 vorzugsweise die gleiche Breite auf wie das schleifenbildende Band 22.
  • Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in 3 enthält alle Merkmale der ersten Ausfuhrungsform, nur ist hier das schleifenbildende Band 22 mit einer Ecke 28 der inneren geschlossenen Schleife 18 verbunden und endet an einer Ecke 30 der äußeren geschlossenen Schleife 20. Das schleifenbildende Band 22 endet an einer Ecke 30 der äußeren geschlossenen Schleife 20, die das gleiche positionsbezogene Verhältnis aufweist wie die Ecke 28 der inneren geschlossenen Schleife 18. Das schleifenbildende Band 22 beginnt insbesondere beispielsweise an der rechten oberen Ecke der inneren geschlossenen Schleife 18 und endet an der rechten oberen Ecke der äußeren geschlossenen Schleife 20. Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform folgt das schleifenbildende Band 22 bei der zweiten Ausführungsform dann der Außenkontur der inneren geschlossenen Schleife 18, ohne sich zu kreuzen, bis er an der äußeren geschlossenen Schleife 20 endet.
  • Ein in 4 gezeigtes Bauelement gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält alle Elemente der ersten und der zweiten Ausführungsform, nur ist das schleifenbildende Band 22 hier mit einer Seite 30 der inneren geschlossenen Schleife 18 verbunden, geht in diese über und folgt dann der Außenkontur der inneren geschlossenen Schleife 18, wobei es allmählich in einem immer größeren Abstand zur äußeren Grenze der inneren geschlossenen Schleife 18 verläuft. Nach seiner ersten Schleife folgt das schleifenbildende Band 22 deren Kontur und geht allmählich in die äußere geschlossene Schleife 20 über. Es sei angemerkt, dass das schleifenbildende Band 22 an einer Stelle in die äußere geschlossene Schleife 20 übergeht, die in Bezug auf ihre Position der Stelle an der inneren geschlossenen Schleife entspricht, an der es beginnt, sich von dieser zu trennen. Das schleifenbildende Band 22 beginnt insbesondere beispielsweise an der linken Seite der inneren geschlossenen Schleife 18, um sich von dieser zu trennen, und endet dann, indem es in die linke Seite der äußeren geschlossenen Schleife 20 übergeht.
  • Die Passivierungsstruktur 16 bei einem typischen Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Abscheiden und Dotieren einer Polysiliziumschicht an einer gewünschten Stelle auf dem Chip 14 und nachfolgendes Aufbringen der gewünschten Struktur mit Hilfe eines Photolithographieschrittes gebildet werden. Damit ein gewünschter Spannungsabfall für ein 600V-Bauelement erzielt wird, kann das durchgängige Band einen spezifischen Widerstand von 100 Megaohm aufweisen, 1,0 µm breit sein und sechsundvierzig Schleifen bilden, wobei jede Schleife zu den benachbarten Schleifen einen Abstand von ungefähr 0,5 µm besitzt.
  • Die Passivierungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Dotierstoffen mit einer Leitfähigkeit, wie beispielsweise n-Leitfähigkeit, dotiert werden. Für das Erzielen des gewünschten Gesamtwiderstandes kann eine beliebige Anzahl Schleifen und eine beliebiger entsprechender spezifischer Widerstand verwendet werden.
  • Die Passivierungsstruktur 16 kann auch so konstruiert werden, dass sie Gebiete mit entgegengesetzter Leitfähigkeit enthält, wodurch eine Struktur entsteht, die an beliebiger Stelle pn-Übergänge aufweist. Ein pn-Übergang dient dazu, die Spannung statt auf lineare Weise schrittweise zu senken. Jeder pn-Übergang würde somit eine Diode bilden.
  • Um einen angemessenen Spannungsabfall zu erzielen, kann die Passivierungsstruktur so gestaltet sein, dass sie fünfundzwanzig Schleifen enthält, von denen jede vier Dioden aufweist, die jeweils einen Spannungsabfall von sechs Volt bewirken.
  • Bei der Ausbildung von pn-Übergängen in dem schleifenbildenden Band 22 in 5 kann eine Maske verwendet werden, um eine Gegendotierung der gewünschten Abschnitte des schleifenbildenden Bands 22 zu ermöglichen. 5 zeigt beispielsweise p-Gebiete 34, die das schleifenbildenden n-Band (N-type looping strip) 22 schneiden und in dem durchgängigen Band 22 pn-Übergänge bilden.
  • Es ist jedoch festgestellt worden, dass Passivierungsstrukturen, die Dioden enthalten, eine relativ hohe Kapazität aufweisen, was insbesondere unter Bedingungen eines hohen Verhältnisses dv/dt unerwünscht ist. Um die hohe Kapazität zu reduzieren, kann das Polysilizium zwischen den Dioden durch eine Metallschicht oder Silizid beispielsweise zumindest an den Kurven in jeder Schleife (90°-Positionen) kurzgeschlossen werden.
  • Wie in 6 kann beispielsweise eine Schicht aus Metall (durch eine dunklere Schicht dargestellt) über dem schleifenbildenden Band 22 ausgebildet werden, die pn-Übergänge enthält. Durch die Metallschicht über dem schleifenbildenden Band 22 kommt es zu einer Reduzierung seines Widerstandes, wodurch sich wiederum seine Zeitkonstante RC verringert.
  • Die Passivierungsstruktur 16 in 7 ist zwischen den Kontakt 36 des aktiven Gebietes 12 und den Kontakt 38 zur HIGH-Seite des Bauelements geschaltet. Die Passivierungsstruktur 16 ist über der Oxidschicht 40 ausgebildet, die auf dem Chip (die) 14 angeordnet ist. Ein Gebiet 42 mit zur Leitfähigkeit des Chips entgegengesetzter Leitfähigkeit ist unter der dicken Oxidschicht 40 ausgebildet. Das Gebiet 42 enthält vorzugsweise eine RESURF-Konzentration an Dotierstoffen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Chip 14 mit n-Dotierstoffen dotiert, während das Gebiet 42 mit p-Dotierstoffen dotiert ist. Es sei angemerkt, dass die Dicke der Oxidschicht 40 statt 1,0 µm, wie es bei Bauelementen des Standes der Technik notwendig war, ungefähr 0,5 µm betragen kann, da die Spannung sehr allmählich abgestuft wird.

Claims (9)

  1. Halbleiter-Bauelement, das Folgendes umfasst: einen Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, ein in dem Halbleiterkörper ausgebildetes aktives Gebiet, das ein Gebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, das in der Nähe der äußeren Grenze des aktiven Gebietes endet, und eine Passivierungsstruktur, die um das aktive Gebiet herum angeordnet ist und ein durchgängiges Band aus Widerstandsmaterial mit im Wesentlichen gleichmäßiger Breite, wobei sich das durchgängige Band nach einer Umrundung des aktiven Gebietes mit sich selbst kreuzt und eine erste geschlossene Schleife aus einem Widerstandsmaterial bildet, die als innere Grenze der Passivierungsstruktur dient, ein schleifenbildendes Band aus dem Widerstandsmaterial aufweist, das die erste geschlossene Schleife unter Bildung von Schleifen umgibt, ohne sich zu kreuzen, wobei das durchgängige Band sich ein zweites Mal mit sich selbst kreuzt und um die erste geschlossene Schleife herum eine zweite geschlossene Schleife aus dem Widerstandsmaterial bildet, die als äußere Grenze der Passivierungsstruktur dient, wobei das schleifenbildende Band an einem Ende von dem Außenrand der ersten geschlossenen Schleife aus verläuft und an seinem anderen Ende an dem Innenrand der zweiten geschlossenen Schleife endet.
  2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das Widerstandsmaterial aus Polysilizium besteht.
  3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das durchgängige Band aus Widerstandsmaterial Gebiete eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, die sich neben Gebieten eines zweiten Leitfähigkeitstyps befinden.
  4. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Passivierungsstruktur über einer dicken Isolierschicht angeordnet ist.
  5. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Passivierungsstruktur über einem Gebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem Halbleiterkörper angeordnet ist, das mit einer RESURF-Konzentration von Dotierstoffen dotiert ist.
  6. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste geschlossene Schleife mehrere gebogene Abschnitte enthält, die über gerade Abschnitte miteinander verbunden sind und so eine geschlossene Schleife bilden.
  7. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, das des Weiteren eine auf dem durchgängigen Band aus Widerstandsmaterial ausgebildete Metallschicht umfasst.
  8. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das durchgängige Band aus Widerstandsmaterial darin ausgebildete pn-Übergänge aufweist und wobei über mindestens einem der pn-Übergänge ein Metallschicht gebildet ist.
  9. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 8, bei dem das Widerstandsmaterial Polysilizium umfasst.
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