DE19606983C2 - Leistungshalbleiterbauelement mit planarem Aufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hochsperrendes Leistungshalbleiterbauelement bis zu Sperrspannungen von 2000 Volt mit planarem Aufbau.

Hochsperrende Halbleiterbauelemente gewinnen bei der Entwicklung leistungsstarker elektrischer und elektronischer Schaltungen, insbesondere bei der Gestaltung neuer Generationen von Schaltungsanordnungen der Antriebstechnik immer mehr an Bedeutung.

Parallel zu wachsenden Leistungsanforderungen sollen Halbleiterbauelemente in zunehmendem Maße hohe Spannungen sperren können. Zusammen mit den Forderungen nach Stabilität auch bei hohen Arbeitstemperaturen und Arbeitsfrequenzen sieht sich der Fachmann neuen Aufgabenstellungen gegenüber.

Eine große Bedeutung bei der Erzielung hoher Sperrspannungen liegt in der Gestaltung der Chiprandstruktur. In Solid State Electronics (Vol. 15, 1, 1972, 93-105 und Vol. 25, No. 5. 1982, 423-427) sind theoretische Betrachtungen zu den Möglichkeiten der Erzielung hochsperrender Planarschichten durch "field limiting ring"-Anordnungen beschrieben.

Weitere Vorveröffentlichungen zu der Problematik der Passivierung zur Erzielung hoher Sperrspannungen sind in einer eigenen Vorveröffentlichung (DE 44 10 354) genannt. Feldringplatten und Floatingelemente in Verbindung mit mehrschichtigen, dicken abgestuften Passivierungen werden u. a. in IEEE Transactions on Electron Devices (ED-14, 3, 1967, 157-162) beschrieben. Praktische Anwendungen sind u. a. in EP 0 061 551 und DE 31 21 223 veröffentlicht.

Die zur Erzielung einer hohen Sperrspannung gewählten Lösungsvarianten beinhalten in gleicher Weise Verfahren zur Erzeugung von SIPOS-Schichten sowie das Einbringen von lateral inhomogenen Dotierungen in den Randgebieten.

Durch EP 588 320 A2 ist ein Halbleiterbauelement mit planar ausgebildeten Strukturen bekannt. Es wird eine Potentialringstruktur beschrieben, die nicht äquidistant angeordnete einzelne Feldringe aufweist. Hier werden aus Aluminiumsilizid bestehende elektrisch leitende Feldplatten erwähnt, die jedoch die Isolationszwischenräume zwischen den einzelnen Feldringen der Potentialringstruktur nicht überdecken.

In EP 665 595 A1 wird eine Gestaltung der abschließenden, an die Potentialringstruktur angrenzenden, Leistungszellen beschrieben. Insbesondere wird die Gestaltung der letzten Leistungszelle in den Chipecken vorgeschlagen.

Alle bisher bekannten und praktikablen Lösungen sind in ihrer Kompatibilität zu den Standardverfahren der MOS-IC-Technologie eingeschränkt und werden durch aufwendige zusätzliche technologische Schritte und Verfahren mit zusätzlichen Maskenebenen implementiert. Hier seien nur abgestufte dicke Passivierungsgläser (Dicke < 4 µm) und tief eindiffundierte Feldringstrukturen genannt. Die Erkenntnis, daß die Oberfläche der Randstrukturen bei Planarbauelementen neben der Randelektrode in möglichst flächendeckender Weise durch leitende und gegen die Substratoberfläche isolierte Schichten überdeckt sein sollte, wurden bereits in DE 32 20 250 offengelegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Leistungshalbleiterbauelement für Sperrspannungen oberhalb 600 Volt bis hin zu 2000 Volt vorzuschlagen, dessen Herstellungsverfahren sehr wirtschaftlich und kompatibel mit den technologisch notwendigen Herstellungsschritten und -methoden ist.

Die Aufgabe wird mit den Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die an sich bekannte MOS-Technologie ist Grundlage für die beispielhafte Realisierung der erfinderischen hochsperrenden Leistungsbauelemente. Durch die Anwendung der erfinderischen Gestaltung der Feldringstrukturen in Kombination mit einem Auftrag von Polysilizium- und Aluminium-Feldplatten wird eine OFP-FLR-Struktur (Offset Field Plate-Field Limiting Rings) herausgebildet.

Die erfinderischen Randschichtstrukturen werden auf der Basis der Grundtechnologien für MOS- Leistungsbauelemente dargestellt, insbesondere was die Art der verwendeten Schichten und deren Dicken betrifft. Die nach dem Stand der Technik bekannten guten Eigenschaften solcher Bauelemente werden elektrisch und thermisch in der Stabilität nicht beeinträchtigt. Erfindungsgemäß werden vollständige und vollwertige MOS-IC-Prozeß-kompatible Randstrukturen für hochsperrende Leistungsbauelemente (z. B. MOS, IGBT, MCT) vorgestellt, die auf der Anordnung einer Vielzahl von Feldringen in Kombination mit Polysilizium und Aluminium-Feldplatten basiert.

Diese OFP-FLR-Struktur ist dadurch charakterisiert, daß die Feldringe mit relativ geringen Diffusionstiefen von etwa 4 µm ausgebildet werden. Der Nachteil der damit verbundenen relativ geringen Wirksamkeit eines einzelnen Ringes wird durch eine gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Erhöhung der Anzahl der Ringe mehr als kompensiert. Durch nicht äquidistante Abstände der einzelnen Ringe untereinander werden hervorragende Parameterverbesserungen zu Gunsten höherer Sperrspannungen erzielt.

Die Feldringstrukturen besitzen beispielhaft zwischen dem ersten und zweiten Ring einen sehr kleinen Abstand und zwischen den äußeren, am Chiprand positionierten Ringen (beispielhaft zwischen Ring 8 und 9) einen relativ großen Abstand.

Diese Feldringe werden mit den bereits erwähnten Feldplatten überdeckt. Durch eine solche Anordnung erweisen sich die üblichen Dicken des Feldoxids von 1 µm bis 1,5 µm sowie des Zwischenisolators (zwischen Polysilizium und Aluminium) von ca. 1 µm als ausreichend.

Durch die Abstufung der Isolatorschichten unter den Feldplatten ist die Spannungsbelastung dieser Schichten sehr gering, wodurch eine sehr gute Langzeitstabilität gegeben ist. Die erfinderische Geometrie der Feldplatten ist so gestaltet, daß eine vollständige Abdeckung über die gesamte Randstruktur gewährleistet ist, so daß die Einflüsse der äußeren Störfelder weitestgehend reduziert werden.

Die konstruktive Lösung des erfinderischen Gedankens, der geringe Abstand des ersten "innen" liegenden Feldringes zur letzten "äußeren" Zelle bewirkt jedoch Inhomogenitäten an den Chipecken mit nennenswertem Ausmaß. Dazu war es notwendig der Inhomogenität durch eine speziell entwickelte Übergangsstruktur entgegenzuwirken, das wird anhand von Strukturskizzen näher erläutert.

Durch eine kapazitive Kopplung des ersten inneren Feldringes wird im ersten Fall trotz differierendem Abstand zwischen Zellmatrix und Randstruktur ein gleichmäßiges Sperrvermögen erreicht. Im zweiten Fall wird durch eine spezielle Eckzelle der Abstand zwischen Zellmatrix und Rand auch in den Ecken des Chips konstant gehalten.

Die erfinderischen Randstrukturen sind prinzipiell für alle diskreten Halbleiterbauelemente mit MOS-, IGBT- und MCT-Struktur, aber auch für integrierte laterale und pseudo-vertikale Bauelemente geeignet.

Anhand der Fig. 1 bis 4 wird die Erfindung an dem Beispiel einer erfinderischen 1300 Volt- Randstruktur näher erläutert.

Fig. 1 stellt eine vollständige Randstruktur im Ausschnitt eines Chipquerschnittes dar.

Fig. 2 veranschaulicht ein Detail der Randstruktur aus Fig. 1.

Fig. 3 erläutert eine Übergangsstruktur der Zelle zum ersten und zweiten Feldring.

Fig. 4 stellt eine zweite Übergangsstruktur einer speziellen Eckzelle in der Draufsicht dar.

Fig. 1 zeigt eine nicht maßstabsgerechte Skizze einer vollständigen Randstruktur eines erfinderischen IGBT-Leistungsbauelementes, das für eine Sperrspannungsbelastung von mindestens 1.300 Volt geeignet ist. Als Ausgangsmaterial für die Bildung des Leistungsbauelementes wurde n-dotiertes Silizium (1) verwendet. Rückseitig wurde ein p-Gebiet (2) eingebracht und mittels Metallisierung (3) ein guter ohmscher Kontakt des so gebildeten Kollektors des Bauelementes erreicht. Die hauptsächlich in Fig. 1 dargestellte Randstruktur besitzt ein Breitenausmaß von 365 µm von der letzten IGBT-Zelle aus gemessen. Auf dieser Breite wurden p-Gebiete (5) eingebracht und technologisch mit Gebieten von Polysilizium (9) und Aluminium-Feldplatten (12) als Feldringe kombiniert angeordnet. Die Randstruktur schließt nach außen zum Chiprand mit einem n+-Kanalstoppergebiet (4) und einer Polysiliziumfeldplatte ab. Die Festlegung der Randstruktur, insbesondere der Abstände zwischen den Feldringen, wurde errechnet und in praktischen Versuchen bestätigt, dabei gilt die Prämisse einer minimalen lateralen Ausdehnung der gesamten Randstruktur unter Beachtung der zu erreichenden Sperrspannungsbelastbarkeit.

Fig. 1 zeigt neun Feldringe, das ist das optimale Ergebnis der Berechnung unter Beachtung der vorgegebenen Zielparameter. Die Relationen der Abstände zueinander sind in der Skizze gewahrt. Zwischen dem ersten und zweiten Ring beträgt der Abstand etwa 10 µm, erwächst kontinuierlich zwischen den weiter außen liegenden Ringen an und beträgt zwischen dem achten und neunten Ring bereits 50 µm. Die Eindringtiefe der einzelnen p-Gebietsringe (5) beträgt einheitlich zwischen 4 bis 5 µm.

Alle einzelnen p-Gebiete werden mit abgestuften Feldplatten, kombiniert hergestellt aus Polysilizium (9) und Aluminium (12), überdeckt. Dabei ist es möglich, die Feldplatte aus Polysilizium (9) und Aluminium (12) direkt durch ein Kontaktloch mit dem p-Gebiet (5) zu verbinden oder über eine dünne Gateoxidschicht (8) zu koppeln.

Die dünne Gateoxidschicht (8) ist beispielsweise in der Struktur enthalten, wenn die Erzeugung der Feldringe (5) nicht zusammen mit den Schritten der Herstellung der p-Gebiete der Arbeitszellen (6) erfolgt. Werden die Feldringe (5) zusammen mit den p-Gebieten der Arbeitszellen (6) erzeugt, dann wird die Strukturierung des Polysiliziums so ausgeführt, daß die Fenster im Feldoxid frei von Polysilizium (9) und Gateoxid (8) bleiben. Das Sperrvermögen ist für beide Varianten gleich. In den folgenden Fig. 2 und 3 werden diese Aussagen genauer erläutert und dadurch deutlicher sichtbar.

Fig. 2 veranschaulicht ein Detail der Randstruktur aus Fig. 1. Dargestellt ist hier in Form einer wiederum nicht maßstabsgerechten Skizze das Chip-Randgebiet zwischen dem siebenten und achten Feldring. Wesentlich detaillierter ist hier die Lage der beiden p-Gebiete (5) dargestellt. Die relativ dünne Gateoxidschicht (8) wird flankiert durch das strukturierte Feldoxid (10) mit keilförmig geformten Randbereichen. Das Feldoxid (10) liegt dabei bündig zwischen den Gateoxidschichten (8) des Feldringes 7 und des Feldringes 8.

Auf der Gateoxidschicht (8) ist eine Schicht aus Polysilizium (9) additiv aufgebracht und so strukturiert, daß eine teilweise Überlappung der Polysiliziumschicht mit den der Feldoxidgebieten (10) stattfindet. Auf das strukturierte Polysilizium (9) wiederum wird ein Zwischenisolator (11) additiv nach dem Stand der Technik aufgebracht und so strukturiert, daß mit Hilfe einer durch Abscheiden und Strukturieren erzeugte Aluminium-Feldplatte (12) ein ohmscher Kontakt zu der Schicht aus Polysilizium (9) hergestellt ist und somit in etwa das gesamte Gebiet der Feldringe mit elektrisch leitenden Flächen überdeckt worden ist. Dabei ist bei der Strukturierung aller Schichten zu beachten, daß die einzelnen Abdeckungen der Feldringe untereinander elektrisch isoliert aufgebaut sind.

Die Isolationsschicht wird jeweils zwischen den einzelnen Feldringen durch den Zwischenisolator (11) realisiert, bei dessen Strukturierung lediglich die Kontaktfenster für den ohmschen Kontakt der Polysiliziumschicht mit der Aluminiumfeldplatte geöffnet wurden. Abschließend wird das gesamte Chiprandgebiet mit einer Passivierungsschicht (13) nach dem Stand der Technik überdeckt, in diese Passivierungsschicht werden lediglich die Kontaktfenster für die äußeren Anschlüsse (beispielhaft für Emitter(Source) und Gate-Anschlüsse bei MOS-Strukturen) der Leistungsbauelemente geöffnet.

Fig. 3 erläutert einen Chipausschnitt einer möglichen Übergangsstruktur der äußersten Zellenreihe zum ersten und zweiten Feldring im Querschnitt. Im Substratmaterial (1) aus n-Silizium sind auch in dieser Darstellung das p-Kollektorgebiet (2) und deren Kontaktierung (3), sowie die Feldringe (5) und das Feldoxid (10) dargestellt.

Das p-Kanalgebiet (6) und das n⁺-Emittergebiet (7) werden durch Implantation und Tiefendiffusion nach dem Gateoxid (8) und den Polysiliziumgebieten (9) erzeugt. Anschließend wird der Zwischenisolator (11) abgeschieden und entsprechend strukturiert.

Die durch Bedampfen hergestellte Aluminiumschicht dient an der Emitterposition (12 (Emitter)) als elektrischer Kontakt für den äußeren Emitteranschluß. Über dem ersten (inneren) Feldring wird die Aluminiumschicht (12 (Gate)) so strukturiert, daß einerseits ein elektrischer Kontakt zu dem leitenden Polysilizium (9) an den Stellen der dafür photolithographisch geöffneten Positionen im Zwischenisolator (11) hergestellt wird und andererseits eine flächige Ausdehnung bis zu dem Gebiet des Polysilizium (9) des zweiten Feldringes gegeben ist.

Da der erste Feldring durch den dünnen Gateisolator (8) und dem darüber befindlichen, auf Gatepotential liegenden Polysilizium (9) kapazitiv an das Gate gekoppelt ist, kann der Abstand zwischen letzter Zelle (6, 7) und erstem Feldring variieren, ohne daß das Sperrvermögen vermindert wird. Überdeckt wird das gesamte Gebiet der Randstrukturen wiederum durch eine Passivierungsschicht (13) mit den bereits beschriebenen Strukturierungen.

Fig. 4 stellt eine zweite Übergangsstruktur einer speziellen Eckzelle in der Draufsicht dar. Die Übergangsstruktur zwischen den quadratischen Emitterzellen und der Randstruktur wird durch ein p-Gebiet in der Form eines Kreisviertels gewählt. Dieses Gebiet ist in gleicher Weise wie die regulären Leistungszellen (6, 7) durch p- und nachfolgender n-Diffusion als Transistorstruktur ausgebildet. Damit ergeben sich gleichartige und homogene Verhältnisse bezüglich des elektrischen Verhaltens und bezüglich der Sperrspannungsbelastbarkeit. In Fig. 4 wurde auf die Darstellung der Einzelheiten in dem Gebiet der Feldringe verzichtet, mit dem Gebiet (9) ist die flächige Ausdehnung des Polysiliziums zu erkennen und die Ausdehnung des Feldoxids (10) ist in dem Eckenbereich angedeutet.

Claims (7)

1. Leistungshalbleiterbauelement mit planarem Aufbau, mindestens einem pn-Übergang, einer Zellmatrix aus Arbeitszellen und einer Randstruktur, die als Potentialringstruktur für hohe Spannungs- und Temperaturbelastbarkeit ausgebildet ist, bei dem die Potentialringstruktur

• a) p-diffundierte Gebiete, in Form von mindestens sechs einzelnen Feldringen (5) geringer Eindringtiefe und untereinander ungleichen Abständen aufweist,
• b) elektrisch leitende Übergangsstrukturen zu der äußeren Reihe der Zellmatrix besitzt,
• c) zwischen den Feldringen (5) eine Feld-Oxidschicht (10) aufweist, welche die Feldringe (5) teilweise überdeckt,
• d) eine Gate-Oxidschicht (8) besitzt, welche die von der Feld-Oxidschicht (10) nicht überdeckte Oberfläche der Feldringe bedeckt,
• e) Feldplatten (9) aus Polysilizium besitzt, die auf der Gate-Oxidschicht (8) und der Feld- Oxidschicht (10) so aufgebaut sind, daß sie die Feldringe (5) jeweils vollständig und die Feld- Oxidschicht (10) teilweise überdecken,
• f) eine Zwischenisolationsschicht (11) aufweist, die auf die Feldplatten (9) aus Polysilizium und den von den Feldplatten (9) nicht bedeckten Bereich der Feld-Oxidschicht (10) aufgebracht ist,
• g) Feldplatten aus Aluminium (12) aufweist, die auf die Zwischenisolationsschicht (11) aufgebracht sind, die den von den Polysilizium-Feldplatten (9) nicht überdeckten Bereich zwischen den Feldringen (5) bedecken und über Kontaktfenster in der Zwischenisolationsschicht (11) mit den Polysilizium-Feldplatten (9) elektrisch leitend verbunden sind, so daß die Feldplatten (9, 12) durch ihre Formgebung die gesamte Randstruktur überdecken, und
• h) durch eine Passivierungsschicht (13) bedeckt ist.

2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialringstrukturen bei Leistungshalbleiterbauelementen mit MOS-, IGBT- und MCT- Konstruktionen ausgebildet sind.

3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldringe (5) in n-Silizium gebildet sind und eine Eindringtiefe von 4 µm bis 5 µm besitzen, und daß zwischen dem ersten inneren und dem zweiten Feldring ein Abstand von 10 µm gebildet ist.

4. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Oxidschicht (8) eine Dicke von ca. 100 nm und die Feldoxidschicht (10) eine Dicke von ca. 1,5 µm besitzen.

5. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Feldringe (5) bei einer Sperrspannungsbelastbarkeit von 1.400 Volt mindestens sechs und bei einer Sperrspannungsbelastbarkeit von 2.000 Volt mindestens neun beträgt.

6. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Feldring (5) durch eine auf Gatepotential liegende und durch das Gateoxid (8) isolierte Polysiliziumfeldplatte (9) kapazitiv mit dem Gatepotential gekoppelt ist.

7. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsstruktur von einer Arbeitszelle (6, 7) der äußeren Reihe der Zellmatrix des Leistungshalbleiterbauelementes zu dem ersten innenliegenden Feldring (5) so ausgebildet ist, daß durch die Gate-Oxidschicht (8) von der Arbeitszelle (6, 7) isoliert eine Polysiliziumschicht (9) und mit der Polysiliziumschicht elektrisch kontaktiert eine Aluminiumschicht (12) als Gateanschluß und innenliegende, den inneren Feldring überdeckende Feldplatten ausgebildet sind.