DE19741167C2

DE19741167C2 - Randstruktur für ein Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE19741167C2
Application number: DE1997141167
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Nat Brunner; Elmar Dr Ing Falck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2017-09-19
Also published as: DE19741167A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Randstruktur für ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, in den von einer Oberfläche aus eine Halblei terzone des zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitungs typs eingebracht ist, so daß der zwischen dem Halbleiterkör per und der Halbleiterzone gebildete pn-Übergang an der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers endet, mit einer der Halb leiterzone vorgelagerten Zone und mit Feldplatten, die den pn-Übergang über der vorgelagerten Zone ringförmig umgeben, wobei benachbarte Feldplatten einander überlappen.

Zur Erhöhung der Durchbruchsfestigkeit von Halbleiterbauele menten werden schon seit langer Zeit verschiedene Maßnahmen ergriffen. Beispiele hierfür sind sogenannte Schutz- oder Feldringe, die den pn-Übergang ringförmig umgeben und eine Passivierung der darüberliegenden Siliziumdioxidschicht auf weisen, sogenannte SIPOS-Schichten (SIPOS = semiinsulating poly oxide surface), Schichten mit amorphem Kohlenstoff oder die sehr verbreiteten Feldplatten. Außerdem gibt es sogenann te RESURF-Zonen, bei denen von einer Anode bis zum Halblei terrand eine durchgehend homogen schwach dotierte p^--Zone im Anschluß an einen pn-Übergang angeordnet ist, JTE-Zonen (junction termination zone), bei denen dem pn-Übergang eine nicht bis zum Halbleiterrand durchgehende p-Zone vorgelagert ist, und VLD-Zonen (dem pn-Übergang vorgelagerte p-Zonen mit lateraler Variation der Dotierung). Aus der Vielzahl von Ver öffentlichungen zum Thema "Randabschluß" sollen lediglich beispielsweise EP-A-95 755, US-A-5 311 052, US-A-4 633 292 und US-A-4 954 868 genannt werden.

Den bestehenden Randstrukturen ist gemeinsam, daß ihre late rale Ausdehnung um so größer wird, je höhere Sperrspannungen erzielt werden sollen. Von Herstellerseite aus wird meist ein Randabschluß mit geringer lateraler Ausdehnung angestrebt, um Materialkosten zu sparen.

Speziell ist aus DE 40 36 958 C2 eine Struktur zur Vermeidung von Feldkonzentrationen in einem Halbleiterbauelement be kannt, bei der ein n-leitender Diffusionsbereich in einem p^-- leitenden Halbleitersubstrat von einer n^--leitenden Zone um geben ist. Auf der Oberfläche dieser Struktur sind Feldplat ten angeordnet, die einander teilweise überlappen.

Aus EP 632 502 A1 ist ein Bipolar-Leistungstransistor be kannt, bei dem die Dotierung einer Zone, die einem pn- Übergang vorgelagert ist, mit zunehmenden Abstand immer schwächer wird. Dadurch soll die Basis-Kollektor- Durchbruchsspannung erhöht werden.

Solche Strukturen bieten jedoch nur einen unzureichenden Schutz gegen Oberflächenladungen und negative äußere Einflüs se, wie auch gegen ein ungesteuertes Aufladen einzelner Feld platten während eines Betriebes der Randstruktur.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rand struktur für ein Halbleiterbauelement zu schaffen, die sich sowohl durch eine relativ geringe laterale Ausdehnung als auch durch einen wirksamen Schutz gegenüber Oberflächenladun gen und negativen äußeren Einflüssen auszeichnet, und bei der unerwünschte Aufladungen von Feldplatten vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Randstruktur der eingangs ge nannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vorgela gerte Zone mit zunehmendem Abstand vom pn-Übergang mit Do tierstoff des entgegengesetzten Leitungstyps schwächer do tiert ist und daß die Feldplatten mit der vorgelagerten Zone leitend verbunden sind.

Die vorgelagerte Zone, die bevorzugt p-leitend ist, weist al so eine laterale Variation ihrer Dotierung auf, wobei diese Variation in gestufter oder in kontinuierlicher Form erfolgen kann. Außerdem sind die auf der Oberfläche des Halbleiterkör pers angeordneten Feldplatten so gestaltet, daß sich einander benachbarte Feldplatten überlappen.

Durch die Feldplatten wird ein zuverlässiger Schutz der Ober fläche erreicht, wobei die Feldplatten nur eine geringe Aus dehnung von beispielsweise 10 bis 30 µm haben, so daß eine große Anzahl von Feldplattensegmenten bei Hochvolträndern, nämlich beispielsweise 50 Feldplatten für einen 6-kV-Rand, vorgesehen werden kann. Infolge der Überlappung der einzelnen Feldplatten ist die laterale Ausdehnung der so gestalteten Randstruktur sehr klein und beträgt beispielsweise lediglich 1,3 mm Randlänge für 7,2 kV, wobei hier 95% der Volumen durchbruchspannung gesperrt ist.

Die Schichtdicke der Isolierschicht, die vorzugsweise aus Si liziumdioxid besteht und unterhalb der Feldplatten angeordnet ist, beträgt beispielsweise 1 bis 5 µm.

Versuche haben ergeben, daß eine Randstruktur, die in übli cher Weise aufgebaut ist, eine Randlänge von 2,3 mm benötigt, wenn sie mit 7,2 kV belastet ist. Außerdem sind für die Iso lierschicht aus Siliziumdioxid Dicken von ca. 8 µm erforder lich. Durch die Erfindung kann also eine erhebliche Reduktion der Randlänge von beispielsweise 2,3 mm auf 1,3 mm erreicht werden. Die Dicke der Siliziumdioxidschicht beträgt nur etwa 4 µm, wodurch eine bedeutende Verringerung in den Prozeßko sten erreicht wird.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist also die vor teilhafte Kombination der vorgelagerten Zone mit lateraler Variation der Dotierung (sog. "VLD-Zone") mit kurz ausgeführ ten und einander überlappenden Feldplatten, die mit der vor gelagerten Zone leitend verbunden sind.

Durch die Überlappung der einzelnen Feldplatten entsteht im Sperrfall ein elektrisches Feld, das Ladungen in der Isolier schicht, insbesondere Siliziumdioxidschicht, abtransportiert, wodurch eine Schutzfunktion gegen Oberflächenladungen gewähr leistet wird.

Um ein ungesteuertes Aufladen der einzelnen Feldplatten wäh rend eines Betriebes der Randstruktur zu verhindern, werden die Feldplatten mit der darunter liegenden vorgelagerten Zone elektrisch verbunden. Hierfür können in der Oberfläche des Halbleiterkörpers verteilte Kontaktierungsstellen angebracht werden. Die Potentiallinien in der Raumladungszone sollen da durch möglichst wenig beeinflußt werden. Die Kontakte beste hen in vorteilhafter Weise aus polykristallinem Silizium oder aus Halbleitermaterial des gleichen Leitungstyps wie die "VLD-Zone".

Bei der erfindungsgemäßen Randstruktur wird die Spannungstei lung zwischen den Feldplatten nicht wie bei üblichen Rand strukturen durch die Dicke der aus Siliziumdioxid bestehenden Isolierschicht bestimmt, sondern primär durch die Spannungs aufnahme in der vorgelagerten Zone, die vom gleichen Lei tungstyp wie die Halbleiterzone im Halbleiterkörper ist. Durch diesen synergetischen Effekt zwischen den überlagerten Feldplatten, die mit der vorgelagerten Zone leitend verbunden sind, einerseits und der vorgelagerten Zone andererseits wer den Randstrukturen erhalten, die erheblich schmäler als be stehende Randstrukturen mit Feldplatten sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Randstruktur,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Randstruktur und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine zylindersymmetrische Feldplattenstruktur.

In den beiden Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist in einen Halbleiterkörper 1 aus einer n⁺-lei tenden Halbleiterzone 2 mit einer Dotierungskonzentration von 10¹⁸ Ladungsträgern/cm³ und einer n^--leitenden Halbleiterzone 3 mit einer Dotierungskonzentration von 6 . 10¹² bis 6 . 10¹⁴ Ladungsträgern/cm³ eine p⁺-leitende Anodenzone 4 eingebracht, die eine Dotierungskonzentration von etwa 10¹⁷Ladungsträ gern/cm³ hat. Auf dieser Anodenzone 4 ist ein Anodenkontakt 5 aus beispielsweise Aluminium angebracht.

Die Anodenzone 4 und der Anodenkontakt 5 sind ringförmig mit Feldplatten 6 umgeben, die so gestaltet sind, daß benachbarte Feldplatten einander teilweise überlappen. Unterhalb dieser Feldplatten 6 ist im Halbleiterkörper 1 eine dem pn-Übergang zwischen den Halbleiterzonen 3, 4 vorgelagerte Zone 13 ange ordnet, die den gleichen Leitungstyp wie die Anodenzone 4 hat, also p-dotiert ist. Diese Zone 13 weist eine Dotierung in der Größenordnung von beispielsweise 10¹⁵ Ladungsträ gern/cm³ auf, wobei diese Dotierung lateral variiert und auf den Rand zu schwächer wird.

Außerdem ist noch in üblicher Weise eine n⁺-Halbleiterzone 7 als Randdotierung 7 am Rand der Halbleiterzone 3 vorgesehen, welche als Stopp-Zone für die Raumladungszone dient.

Die einzelnen Feldplatten 6 haben radial eine Abmessung zwi schen 10 bis 30 µm und sind durch das unter ihnen vorgesehene Oxid elektrisch mit der vorgelagerten Zone 13 verbunden, was in der Fig. 1 schematisch durch Leitungen 8 angedeutet ist.

In der vorgelagerten Zone 13 beträgt die Dotierungskonzentra tion etwa 10¹⁵ Ladungsträger/cm³. Sie nimmt in dieser Zone 13 aber mit zunehmendem Abstand vom pn-Übergang zwischen der Halbleiterzone 3 und der Anodenzone 4 nach außen ab, so daß eine laterale Variation der Dotierung in der vorgelagerten Zone 13 vorliegt.

Infolge der geringen lateralen Ausdehnung der Feldplatten von 10 bis 30 µm und der großen Anzahl der einzelnen Segmente kann die laterale Ausdehnung der Randstruktur sehr gering ge halten werden. Eine entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführte Randstruktur vermag mit einer Randlänge von etwa 1,3 mm immerhin 7,2 kV bei 95% der Volumendurchbruchspannung zu sperren.

Die Dicke einer in der Fig. 1 nicht gezeigten Isolierschicht unterhalb der Feldplatten 6 kann zwischen 1 und 5 µm liegen.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 durch die noch geringere late rale Ausdehnung der einzelnen Feldplatten 6, die hier bei spielsweise lediglich 10 µm beträgt, und durch die abgestufte Dotierung in der vorgelagerten Zone 13. Diese vorgelagerte Halbleiterzone 13 besteht hier aus einzelnen Bereichen 9, 10, 11, 12, die alle p-dotiert sind, wobei die Dotierungskonzen tration dieser Bereiche 9 bis 12 von innen nach außen immer geringer wird. Dies ist schematisch durch die strichlierte Darstellung der Bereiche 11 und 12 in der Fig. 2 veranschau licht.

Auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind leitende Ver bindungen 8 zwischen den Feldplatten 6 und der vorgelagerten Zone 13 vorgesehen.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine zylindersymmetrische Feldplattenstruktur mit einem Anodenkontakt 5 und drei Feld platten 6. Kontakte als leitende Verbindungen 8 verbinden die Feldplatten 6 elektrisch mit der vorgelagerten Zone 13 bzw. deren Bereiche 9, 10, 11 und 12. Der Durchmesser der Kontakte beträgt vorzugsweise 1-2 µm.

Die Topologie der Feldplattenstruktur braucht nicht zylinder symmetrisch zu sein, sondern kann auch beispielsweise eine quadratische oder rechteckige Gestalt annehmen.

Bezugszeichenliste

1

Halbleiterkörper

2

n⁺

-Halbleiterzone

3

n^-

-Halbleiterzone

4

p⁺

-Anodenzone

5

Anodenkontakt

6

Feldplatten

7

n⁺

-Halbleiterzone

8

Leiter

9

Halbleiterbereich in vorgelagerte Zone

10

Halbleiterbereich in vorgelagerte Zone

11

Halbleiterbereich in vorgelagerte Zone

12

Halbleiterbereich in vorgelagerte Zone

13

Vorgelagerte Zone

14

Feldplatte

Claims

1. Randstruktur für ein Halbleiterbauelement mit einem Halb leiterkörper (1) eines ersten Leitungstyps, in dem von einer Oberfläche aus eine Halbleiterzone (4) des zweiten, zum er sten entgegengesetzten Leitungstyps eingebracht ist, so daß der zwischen dem Halbleiterkörper (1) und der Halbleiterzone (4) gebildete pn-Übergang an der einen Oberfläche des Halb leiterkörpers (1) endet, mit einer der Halbleiterzone (4) vorgelagerten Zone (13) und mit Feldplatten (6), die den pn- Übergang über der vorgelagerten Zone (13) ringförmig umgeben, wobei benachbarte Feldplatten einander überlappen dadurch gekennzeichnet, daß die vorgelagerte Zone (13) mit zunehmendem Abstand vom pn-Übergang mit Dotierstoff des entgegengesetzten Lei tungstyps schwächer dotiert ist und daß die Feldplatten (6) mit der vorgelagerten Zone (13) leitend (vgl. 8) verbunden sind.

2. Randstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit zunehmendem Abstand schwächere Dotierung kontinu ierlich oder stufenartig verläuft.

3. Randstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht aus insbesondere Siliziumdioxid unter den Feldplatten (6) eine Schichtdicke von 1 bis 5 µm, vor zugsweise 4 µm, aufweist.

4. Randstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in der vorgelagerten Zone (13) in der Größenordnung von 10¹⁵ Ladungsträgern/cm³ liegt.

5. Randstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatten (6) eine laterale Ausdehnung von 10 bis 30 µm haben.

6. Randstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatten eine laterale Ausdehnung von etwa 10 µm haben.

7. Randstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Feldplatten (6) und vorgelagerter Zone (13) über Kontakte (8) mit einem Durchmesser von 1 bis 2 µm erfolgt.

8. Randstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung aus polykristallinem Silizium besteht.