DE1789043A1 - Mit Schutzringen versehene Planar-Halbleitervorrichtungen - Google Patents

Mit Schutzringen versehene Planar-Halbleitervorrichtungen

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DE1789043A1 DE19681789043 DE1789043A DE1789043A1 DE 1789043 A1 DE1789043 A1 DE 1789043A1 DE 19681789043 DE19681789043 DE 19681789043 DE 1789043 A DE1789043 A DE 1789043A DE 1789043 A1 DE1789043 A1 DE 1789043A1
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Description

In der Antwort bitte angeben Unser Zeichen
S/p 6458
S.p.A. S.G.S. Societa Generale Semiconduttori, Agrate Brianza,
Italien.
Mit Schutzringen versehene Planar-Halbleitervorrichtungen.
Die Erfindung bezieht sich auf mit Schutzringen versehene Planar-Halblei tervorri chtungen.
Insbesondere hat die Erfindung eine Vorrichtung mit den Durchgriff steuernden Mehrfachringen zum Gegenstand, um die maximal zulässige Sperrspannung der Übergangsζonen der Planarhalbleiter zu erhcten.
Gemäß der Erfindung weist eine Planar-Halbleitervorrichtung, die dazu bestimmt ist., hohe Sperrspannungen auszuhalten, einen bzw. mehrere Schutzringe, d.h. einen oder mehrere Bereiche hoher Stör*
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ORIGINAL INSPECTED
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Stellenkonzentration, auf, die im Kristallinneren durch Diffusionentstehen und die die Übergangsstelle, deren Durchgriff-Zustand beherrscht werden soll, in einer bestimmten, gleichbleibenden Entfernung von der gleichen Übergangsstelle umgeben.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
P Fig. 1 eine p-n-Halbleiter-Übergangsstelle mit Polarisation in Sperrichtung,
Fig. 2 schematisch die Ladungsverteilung in unmittelbarer Nähe der Trennfläche (mit voll ausgezogener Linie ohne Magnetisierungsspannung der Polarisation, mit gestrichelter Linie bei angelegter Sperrspannung),
Fig. ;5 den Verlauf des elektrischen Feldes, das der Ladungsver- ^ teilung nach Fig. 2 entspricht, .
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Halbleitervorrichtung mit nui einem Schutzring in axialem Schnitt,
Fig. 5 zwei mögliche Ausführungsformen des Schutzringes nach Fig.4,
Fig. 6 ein Teilschnittbild einer Halbleitervorrichtung mit drei Schutzringen, '"^.u
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Fig. 7 ein halblosarithmiscb.es Strom-Spannungs-Diagramm bezogen auf einen der Schutzringe nach Fig. 6,
Fig. 8 und 9 jeweils eine Schnittansicht durch eine Halbleitervorrichtung ohne bzw. mit Schutzringen sowie des entsprechenden Verlaufs des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Entfernung χ von der Übergangszone,
Fig.10 ein Diagramm der potentialwerte der drei Ringe nach Fig. in linearem Maßstab abhängig von der an der Verbindung angelegten Sperrspannung V , und
Fig.11 eine Halbleitervorrichtung mit zwei Schutzringen, die den physikalischen Einfluß einiger Farameter veranschaulicht, die bei d-er theoretischen Bestimmung der Abstände zwischen den Ringen auftreten.
Zum besseren Verständnis der Erfindung erscheint es angebracht, einige Ausführungen über die Halbleiterübergangszonen vorauszuschicken.
Es sei ein p-n-Halbleiterübergang (Fig. 1) betrachtet. Es ist bekannt, daß ein Potentialgefälle oder eine Potentialsperre V in der Nähe der Trennlinie zwischen den beiden Halbleitern auch bei Fehlen einer angelegten Fremdspannung eintritt. In der Nahe der Übergangszone existiert demnach eine Ladungsverteilung mit umgekehrten Vorzeichen, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Auf der Abszisse ist der Abstand χ von der Überganr~slinie und auf der
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Ordinate die Dichte η der Ladung wiedergegeben.
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In der Nähe des Überganges ist eine sehr schmale Zone, Sperrschicht oder bergangszone genannt,vorhanden, in deren Innerem kein beweglicher Ladungsträger vorhanden ist. In dieser Zone befinden sich lediglich feste Ladungen mit der Verteilung nach Fig. 2, die soweit keine beweglichen Ladungen aufgegeben werden - ein lineares elektrisches Feld festlegen, dessen Maximalwert in der Nähe des Überganges (Fig. J>) ist.
Wenn eine Sperrspannung an den Übergang angelegt wird, erweitert sich diese von beweglichen Ladungsträgern freie Zone (Early-Effekt). Die Verteilungskurve der festen Ladungen ändert sich dadurch, daß ein größerer Bereich beteiligt wird (gestrichelte Linie in Fig. 2), ohne daß der entsprechende Ordinatenwert verändert wird, der von der Dotierungsdichte des Kristalls abhängt.
Wenn die Breite dieser Zone so weit gewachsen ist, daß sie die Breite des Halbleiters erreicht, tritt an ihr..ein konstanter Spannungsabfall auf, und der Halbleiter kann bei diesen Verhältnissen nicht weiter benutzt werden (d.h. der Durchgriffszustand ist er-
dadurch
reicht). Es erscheint/notwendig, die größte, an den Übergang anlegbare Sperrspannung so zu begrenzen, daß dieDurchgriffspannung nie erreicht wird. (Der Kürze halber wird in der Folge eine solche Spannung einfach mit V , bezeichnet).
Es ist außerdem auch notwendig, zu vermeiden, daß infolge des Vorhandenseins von seitlich der Zwisehenfläche des Überganges entstehenden elektrischen Feldern ein Zustand örtlicher Durchschla^s-
spannung erreicht wird.
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Dies bedingt starke Beschränkungen in allen Hochspannungs-Halbleitervorrichtungen, wie z.B. Transistoren für Höchstspannungen für Fernsehempfänger, Thyristoren und Hochspannungs-dioden.
Die Erfindung führt eine besondere Konstruktion für Halbleitervorrichtungen ein, die für Hochspannungen bestimmt sind; diese Konstruktion ermöglicht die Herstellung solcher Vorrichtungen unter Anwendung des Planar-Verfahrens, während man bis heute für Hochspannungen nur nach dem Mesa-Verfahren gebaute Halbleitervorrichtungen verwenden konnte. Die Anwendung der Planar-Technologie ergibt ein Produkt, das alle gewünschten Merkmale der Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, thermischer sowie zeitlicher Stabilität mit sehr niedriger Sperrspannung besitzt, die sich mit den nach dem Mesa-Verfahren gebauten Vorrichtungen nicht erzielen lassen.
Die Anmelderin hat nämlich herausgefunden, daß die Verwendung von Schutzringen, die einen p-n-Planarübergang umgeben, die die Erhöhurj \ der Sperrspannung, die von dem Übergang ausgehalten werden kann, ermöglicht. Wie weiter unten näher beschrieben wird, erweisen sich die Abstände zwischen den genannten Schutzringen als kritisch, nachdem ein Durchgriff-Zustand zwischen den folgenden p-n-Ubergängen erfüllt sein muß, wenn eine zuverlässige Anordnung erzielt werden soll.
Die Anmelderin hat eine Lehre über das Verhalten dieser Bauglieder mit Mehrfachschutzringen entwickelt, die durch Versuche bestätigt wurde.
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Dieses System eines den Durchlaß steuernden Grenzflächensystems ergibt eine sehr wirksame Möglichkeit zur Beschränkung der elektrisehen Felder an der Grenzfläche auf einen vorgewählten Sicherheitswert, der von den Vofahrensbedingungen, den Oxydeigenschaften, u.a.m. abhängig ist.
Durch eine zweckentsprechende Dimension/Vierung der Bauteile der Vorrichtung ist es auch möglich, die durch die Krümmung des Randes der Planar-Verbindung gesetzten Spannungsgrenzen zu überschreiten und die Lawinendurchschiagsgrenze des Materials zu erreichen.
Aufgrund dieser Überlegungen sieht die Erfindung einen besonderen Aufbau für die Planar-Halbleitervorrichtungen vor, welches es erlaubt, die maximale an die Verbindung anlegbare Sperrspannung beträchtlich zu erhöhen.
In den Fig. 4, 5, 6,8, 9 und 11 der Zeichnung sind einige bevorzugte Bauformen der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtungen abgebildet.
Bei einer ersten Ausführungsform (Pig. 4) weist die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung einen einzigen Schutzring 1 auf, der eine mittlere Zone 5 umgibt, die einen der beiden Teile 4, 5 des herkömmlichen Überganges bildet.
Wenn der Kristall 4 ein η-Kristall ist, sind die Zonen 5 und 1 p-Zonen, und umgekehrt. Der Kristall ist außerdem im oberen Teil
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teilweise mit einer isolierenden Oxydschicht 6 und in seinem unteren Teil mit einer leitenden Metallschicht 7 überzogen.
Die mittlere Zone 5 und die Ringzone 1 sind durch Diffusion auf bekannte Weise erhalten; die Diffusionstiefe und Konzentrationsdichte der p-Störstellen sind für die beiden Zonen 1 und 5 vorzugsweise gleich.
Fig. 6 stellt einen Teil eines n-Kristalls 4 dar, in dem durch p-Diffusions-Dotierung in der Zone 5 ein p-n-Übergang geschaffen worden fet. Die Vorrichtung ist rotationssymmetrisch um die Achse A-A, d.h. sie besitzt im wesentlichen die Form einer Scheibe oder eines sehr niedrigen Zylinders.
von
Die p-Zone 5 ist/drei ebenfalls p-leitenden ringförmigen konzentrischen Zonen umgeben, die mit 1, 2, 3 bezeichnet sind. Einige Zonen 6, die ebenfalls ringförmig sind, bedecken teilweise eine der ebenen Flächen des scheibenförmigen Kristalls. Diese Zonen bestehen aus einer isolierenden Oxydschicht, die nach bekannten Verfahen hergestellt wird, welche bei der Herstellung von Planar-Transistoren Anwendung finden.
Die mittlere Zone 5 ist teilweise mit einer stromleitenden Schicht 8, z.B. aus Metall überzogen. Die p-Dotierunrszonen im Kristall erstrecken sieh bis zu einer mit d bezeichneten Tiefe. V/ Ί ist der
el
Abstand zwischen dem ersten Rin·^ 1 und der mittleren Zone 5 und VJc2 bzvi. ',I- sind die geometrischen Anstände zwischen den Ringen 1-2 una 2-5.
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BAD ORIGINAL
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Über einigen Oxydzonen 6 können Metallringe 9 angeordnet sein. Der untere Teil des Kristalls 4 ist mit einer stromleitenden Schicht 7 überzogen, die z.B. durch Oberflächenmetallisierung hergestellt wird. Schließlich ist mit 10 die Grenze des Sperrbereiches bezeichnet, der die Zone 5 umgibt.
Diese Halbleitervorrichtung arbeitet vie folgt: Wird an den Übergang eine Sperrspannung gelegt, d.h. legt man zwischen die Elektroden 8 und 7 eine Spannung -Vd * so entsteht eine Sperrschicht in der Nähe der Grenze zwischen der p-Zone 5 und der n-Zone 4. Das Übergangs- oder Sperrgebiet erstreckt sich fast über den ganzen Teil 5 des Kristalls, und zwar wegen der dort vorhandenen geringeren Konzentration an Störstellen. Wird die Sperrspannung erhöht, verbreitert sich auch dieser Sperrbereich, bis bei einem gewissen Spannungswert die Grenze 10 dieses Bereiches die Zone des ersten Ringes 1 erreicht und der Durchgriff zwischen dem geschützten Übergang und dem innersten Ring entsteht.. Der Abstand W ·, ist ein kritischer Abstand und wird bei der Projektierung so festgelegt, daß der Durchgriff entsteht, bevor die Durchschlagsgrenze durch Oberflächenwirkung; bsw. die Durchschlagsgrenze an der Zwischenfläche des Überganges durch Lawineneffekt erreicht wird.
Nach diesem ersten Durchgriff erzeugt der Ring 1 um sich einen Sperrbereich, der in Verbindung mit dem Sperrbereich des Haupt.-Überganges eine neue Gestalt im gleichen Bereich bewirkt, der somit allmählich eine weniger betonte Krümmung annimmt., woduivh
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die erwähnte Durchschlagsgefahr verringert wird, welche umso größer ist, je stärker die Oberfläche IO gekrümmt ist. Somit werden noch höhere Durchgriff-Spannungen zwischen den Ringen 1 und 2 bzw. 2 und j5 erhalten und die Krümmung des Sperrbereiches wird immer flacher, so daß eine immer schwächer ausgebildete Krümmung erhalten wird (Fig. 9) ί Das bietet die Geivähr dafür, daß das seitliche elektrische Feld an der Übergangsoberfläche einen kontrollierbaren Sicherheitswert nie überschreitet. |
V/erden mehrere Ringe benutzt, läßt sich der Lawinenzustand erreichen, der mit einem idealen, flachen Übergang erhalten werden könnte.
Das beschriebene Phänomen läßt sich besser verstehen, wenn man Fig. 8 und 9 gleichzeitig prüft; diese beiden Figuren beziehen sich auf zwei Halbleitervorrichtungen mit gleichen Abmessungen und mit gleichen physikalischen Eigenschaften sind jedoch einmal ohne und einmal mit Schutzringen ausgeführt und haben die gleiche, an den Übergang 3-4 angelegte Sperrspannung -VR. Aus diesen Figuren geht hervor, wie das Vorhandensein der drei Schutzringe den Maximalv/ert des elektrischen Feldes Εσ wesentlich herabsetzt, das im Kristallinneren entsteht. Wenn der Ring 1 nach Fig. 6 und 9 direkt mit dem positiven Pol verbunden wird, tritt - sobald die Dirrchgriff-Spannung überschritten wird, - ein rasch zunehmender, üui'oh die Raumladung begrenzter Strom auf. Dies ist in Fig. 7 dar ;oGtollt: Bei V,< V , tritt praktisch kein Stromübergang auf, da.jegoa ergibt .sich bei V. >V . ein Strom mit Exponentialverlauf,
der im Diagramm,durch eine schräge Gerade dargestellt ist.
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Mr
Nachdem der Durchgriff zwischen der Zone 5 und dem ersten Rinj 1 aufgetreten ist, 1st letzterer im Vergleich zur Zone 4 umgekehrt polarisiert und bildet daher - wie bereits gesagt - einen Sperrbereich um sich, der sich bei zunehmender Sperrspannung ausweitet, bis er die anderen Ringe erreicht. Die Potentiale V-. , Vp und V-, der Ringe 1, 2 und 3 folgen daher der Sperrspannung in einem Abstand Vpt, 2Vpt und 3Vpt (Fig. 10).
Der Metallring 9 (FicS· 6), der eine der Oxydzonen 6 deckt, ist an eine entsprechende negative Spannung gelegt. Seine Aufgabe besteht darin, zu verhindern, daß positive Ionen, die aus den irn Inneren der η-leitenden Oxydschicht 6 auf dem Kristall 4 vorhandenen Störstellen stammen, im Inneren der Oxydschicht wandern können und die einwandfreie Funktion der Vorrichtung beeinträchtigende Gruppierungen bilden.
Die Schutzringe können ebenfalls mit einer isolierenden Schutzschicht überzogen sein, wie in Fig. 9 dargestellt.
Vorzugsweise haben die Schutzringe eine kreisrunde Form. Es ist aber auch möglich, sie quadratisch oder rechteckig mit abgerundeten Kanten auszubilden, wie in Fig. 5 dargestellt. Auch können kompliziertere Bauformen je nach der für den zu schützenden Übergang gewählten Form ausgeführt werden.
BAD ORiGtNAL 109882/1509
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Die kritischen Abstände l.r cl, We2, W- zwischen aufeinanderfolgenden Ringen werden auf theoretischem Wege bestimmt. Zu diesem Zweck ist es angebracht, die entsprechenden Abstände W„ (Fig. 11) zwischen den Krümmungsmittelpunkten eines jeden Uberganjspaares einzuführen, die ebenfalls kritisch sind.
Wenn man nun mit V . die Durchgriff-Spannung, die von den Werkst off merkmalen abhängig ist, C eine von der V'erkstoffart und von der Störstellenkonzentratinn abhängige Konstante, x. die Diffusionstiefe der zu schützenden Verbindung, WR die kritische Abmessung, die bestimmt werden soll, bezeichnet, so ergibt sich, daß diese Größen miteinander durch die Gleichung (1) verbunden sind:
M V - C x 3 f (5T>
In den Zeichnungen sind Bauformen mit einem bzw. mehreren Schutzrin^en in Verbindung mit einem n-Halbleiterkristall dargestellt, in welchem ein Übergang durch p-Diffusion von Störstellen zustande körnig-.; es ist jedoch klar, daß in ganz ähnlicher Weise ein p-Kristall verwendet werden könnte, bei dem η-Zonen durch Diffusion erhalten worden s.!nd.
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Al
■ Es ist auch möglich, die Ringe weniger als die Basis, d.h. bis zu einer geringeren Tiefe, zu diffundieren. Wenn der Rand des innersten Ringes den Rand des tiefer diffundierten Überganges überlappt, läßt sich eine bessere Steuerung der ersten Durchgriff-Spannung erzielen.
Die beschriebene Anordnung mit den Durchgriff steuernden Mehrfachs chutzr Ingen kann bei fast allen Hochspannungs-Halbleitervorrichtungen eingesetzt werden. Insbesondere ist sie bei Transistoren für sehr hohe Spannungen (über 1000 V), wie z.B. bei Fernsehempfängern sowie bei Dioden und Thyristoren für hohe Spannung als sehr vorteilhaft. Ebenfalls bestehen sehr gute Anwendungsmöglichkeiten in der industriellen Elektronik.
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Claims (1)

  1. 25.9-1968 W/He S/p
    Patentansprüche;
    1. Planar-Halbleitervorrichtung, insbes. für hohe Sperrspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein bzw. mehrere Schutzring (1, 2, J) vorgesehen sind, die aus durch Diffusion im Kristallinneren erzeugten Zonen hoher Störstellenkonzentration bestehen, welche den zu schützenden Übergang umgeben und mittels durch jeden Ring erzeugter elektrischer Felder deren Durchgriffs-Zustand steuern, viel eher jeweils durch den Rand der Hauptübergangs-Sperrzone erreM± wird, wobei die Ringe wiederum Sperrzonen um sich bilden, die sich mit der Sperrzone des Hauptüberganges vereinigen, so daß die Krümmung der Seitenfläche der gesamten, dadurch entstandenen Sperrzone allmählich verringert wird.
    2. Planar-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzringe (1, 2, J) aus diffundierten p-Zonen bestehen, wenn sie in einem η-Kristall erzeugt werden, und umgekehrt.
    J. Planar-Halbleitervorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorrichtungen mit axialer Symmetrie die Abstände zwischen den Krümmungsmittelpunkten eines jeden Übergangspaares (Pig. 11), d.h. zwischen dem Hauptübergang und dem ersten Schutzring sowie zwischen den folgenden Schutzringen,gemessen in einer durch die Symmetrieachse gehenden Ebene, Werte aufweisen, die im wesentlichen denjenigen entsprechen, die durch die Gleichung
    C-
    P ( -ϋ'
    109882/1509 BAD ORIGINAL
    25.9.I968 W/He S/p 6438
    AH
    errechnet werden können, vzobei
    ^ "I) -I (Is - 2-) und
    V . die Durchgriff-Spannung, die von den Materialeigenschaften ρυ
    abhängig ist,
    C eine von dem Material und von der Störungskonzentration abhängige Konstante,
    ^ x. die Diffusionstiefe des zu schützenden Überganges, Wt, den Abstand zwischen den Krümmungsmittelpunkten bezeichnet.
    4. Planar-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionstiefe der Schutzringe gleich der Diffusionstiefe des mittleren, die Basis bildenden Bereiches ist.
    5· Planar-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionstiefe der Schutzringe kleiner als die der Basis ist und daß der Rand des innersten Schutzringes den Rand des mittleren Bereiches mit tieferer Diffusion überlappt.
    6. Planar-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Schutzringe (l, 2, 3) teilweise oder ganz mit einer isolierenden Oxydschicht (6), vorzugsweise aus Siliziumdioayd, überzogen ist.
    109882/1509
    25.9.1968 W/He S/p
    7. Planar-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche dieser Schutzringe (1, 2, 3) sowie auch der isolierenden Oxydschicht (6) teilweise oder ganz mit Platten oder Ringen (9) aus stromleitendem Material bedeckt ist, wobei diese durch Polarisationsbatterien miteinander verbindbar sind.
    109882/1509
    A.
    Leerseite
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