DE19839971C2

DE19839971C2 - Randstruktur für Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE19839971C2
Application number: DE19839971A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Brunner; Daniel Reznik; Jenoe Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: DE19839971A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Randstruktur für Halbleiterbauelemente nach dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1.

Unter dem einen Leitungstyp soll im folgenden der n-Lei tungstyp verstanden werden. Selbstverständlich kann gegebe nenfalls aber auch der eine Leitungstyp der p-Leitungstyp sein.

Randabschlüsse gibt es bekanntlich in den verschiedensten Ausführungen: so sind Feldringe mit Glaspassivierung, in bzw. auf einer Isolierschicht vorgesehene Feldplatten, durchgehend schwach dotierte p^--leitende Zonen im Anschluß an einen pn- Übergang, vorgelagerte, nicht durchgehende p-leitende Zonen sowie vorgelagerte p-leitende Zonen mit lateraler Variation der Dotierungskonzentration bekannt (vgl. hierzu beispiels weise EP-A-0 095 755, US-A-5,311,052, US-A-4,633,292 und US- A-4,954,868).

Bei Randstrukturen von Halbleiterbauelementen wird der Aus tritt der Äquipotentiallinien an der Oberfläche des Halblei terkörpers einerseits durch die Grunddotierung und anderer seits - sofern vorhanden - durch Feldplatten bestimmt. Die Feldplatten bilden dabei mit der Halbleiteroberfläche jeweils einen Kondensator, dessen Kapazität durch das Dielektrikum, in der Regel also die aus Siliziumdioxid bestehende Isolier schicht, und den Abstand zwischen der jeweiligen Feldplatte und der Halbleiteroberfläche bestimmt wird. Da bei einem Kon densator die Kapazität umgekehrt proportional zum Abstand von dessen Elektroden ist und die an einem Kondensator liegende Spannung durch den Quotienten aus Ladung und Kapazität gege ben ist, fällt um so weniger Spannung an einem Kondensator ab, je kleiner der Abstand zwischen dessen Elektroden ist.

Dies bedeutet im vorliegenden Fall, daß mit kleiner werdendem Abstand zwischen Feldplatte und Halbleiteroberfläche eine um so geringere Spannung am entsprechenden Kondensator abfällt. Die Äquipotentiallinien werden also mit kleiner werdendem Ab stand zwischen Feldplatte und Halbleiteroberfläche bei Anle gung einer Sperrspannung lateral weiter nach außen zum Rand des Halbleiterbauelementes hin abgelenkt.

Eine solche laterale Ausdehnung der Raumladungszone wird im Halbleiterkörper außerdem durch dessen Grunddotierung beein flußt: je geringer nämlich die Dotierungskonzentration der Grunddotierung ist, desto weiter wird die Raumladungszone bei Anlegung der Sperrspannung lateral nach außen gedrängt.

Externe Oberflächenladungen, die sich beispielsweise in der vorzugsweise aus Siliziumdioxid bestehenden Isolierschicht auf dem Halbleiterkörper ansammeln, können die Raumladungs zone im Halbleiterkörper stark beeinflussen und gegebenen falls sogar zu einem vorzeitigen Durchbruch führen. Dieser Einfluß von externen Oberflächenladungen ist um so größer, je geringer die Grunddotierung des Halbleiterkörpers ist. Das heißt, eine relative Veränderung der Raumladungszone infolge von Oberflächenladungen nimmt mit abnehmender Grunddotierung des Halbleiterkörpers zu. Ausgedehnte Untersuchungen haben gezeigt, daß Oberflächenladungen in der Größenordnung von 10¹¹ Ladungsträger cm^-2 bei Grunddotierungen im Bereich zwi schen 8 × 10¹² Ladungsträger cm^-3 bis 2 × 10¹⁴ Ladungsträger cm^-3 anzunehmen sind.

In WO 98/32174 ist eine Randstruktur der eingangs genannten Art beschrieben. Bei dieser Randstruktur liegen n⁺-dotierte Oberflächenzonen in einem Randbereich der Oberfläche eines n- dotierten Halbleiterkörpers. Außerdem ist im Abstand von die sen Oberflächenzonen eine p⁺-leitende Zone in den Halblei terkörper eingebettet und mit einer Feldplatte ausgestattet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Randstruktur für Halbleiterbauelemente zu schaffen, bei der der Einfluß von externen Oberflächenladungen weitgehend reduziert ist, so daß die Durchbruchsfestigkeit des Halbleiterbauelementes ver bessert ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Randstruktur der eingangs ge nannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Da, wie eingangs erläutert wurde, der eine Leitungstyp in be vorzugter Weise der n-Leitungstyp ist, wird insbesondere von einer n-leitenden Oberflächenzone mit lateraler Variation der Dotierungskonzentration ausgegangen, um mit Hilfe dieser Oberflächenzone den Einfluß von externen Oberflächenladungen in bzw. auf einer Isolierschicht zu reduzieren. Die Dotie rungskonzentration dieser Oberflächenzone variiert dabei im Bereich zwischen 10¹⁵ Ladungsträgern cm^-3 bis 10¹⁷ Ladungsträ gern cm^-3. Als Dotierstoff kann dabei beispielsweise Phosphor verwendet werden.

Durch entsprechende Einstellung der Dotierungskonzentration in der n-leitenden Oberflächenzone und damit durch entspre chende Einstellung des lateralen Dotierungsgradienten läßt sich so die Spannungsaufnahme des Halbleiterbauelements in dessen Randstruktur steuern.

Bei der erfindungsgemäßen Randstruktur sind außerdem Feld platten zusätzlich zu der Oberflächenzone mit lateraler Va riation der Dotierungskonzentration vorhanden. Durch diese Feldplatten kann die Randstruktur noch unempfindlicher gegen über externen Oberflächenladungen gemacht werden.

In bevorzugter Weise wird nun die Dotierungskonzentration der Oberflächenzone derart eingestellt, daß die laterale Ausdeh nung der Raumladungszone gegenüber solchen herkömmlichen Strukturen, die nicht die angegebenen Dotierungskonzentratio nen bzw. deren Variation aufweisen, verkürzt ist.

Vorteilhaft ist auch, daß bei der erfindungsgemäßen Rand struktur die Gesamtdicke der Isolierschicht, die in der Regel aus Siliziumdioxid besteht, auf etwa 1 bis 5 µm, insbesondere etwa 2 bis 3 µm, verringert werden kann, was eine Reduktion von etwa 50% gegenüber dem Stand der Technik mit Isolier schichten mit Dicken zwischen 4 und 6 µm bedeutet. Außerdem wird durch diese Reduktion der Dicke der Isolierschicht eine Verminderung der Prozeßkosten insgesamt erreicht.

Die Variation der Dotierungskonzentration kann durch Anwen dung einer Ionenimplantation von beispielsweise Phosphor durch eine Lochmaske und anschließendes Eintreiben der Ionen realisiert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Randstruk tur einer Diode mit Feldplatten, welche über p- leitende Gebiete an einen Halbleiterkörper ange schlossen sind,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Randstruk tur einer Diode mit floatenden Feldplatten und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Randstruk tur mit Feldplatten, welche über p-leitende Gebiete an einen Halbleiterkörper angeschlossen sind.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Diode mit einer Anode A und einer Kathode K, einem n^--leitenden Silizium-Halbleiter körper 1 mit einer Grunddotierung im Bereich zwischen 8 × 10¹² Ladungsträgern cm^-3 bis 2 × 10¹⁴ Ladungsträgern cm^-3, ei ner n⁺-leitenden Kathoden-Anschlußzone 2, einer p⁺-leitenden Anodenzone 3 und n-leitenden Oberflächenzonen 4, 5, 6, 7, 8, die Dotierungskonzentrationen zwischen 10¹⁵ Ladungsträger cm^-3 bis 10¹⁷ Ladungsträger cm^-3 haben, wobei hier die Dotierungs konzentration insgesamt so variiert ist, daß diese zum Rand, also zur Oberflächenzone 7 bzw. 8 hin, zunimmt. In die Ober flächenzonen 5 und 6 sind noch p⁺-leitende Zonen 9, 10 einge bettet, an die, wie auch an die Anodenzone 3, Feldplatten 11, 12, 13 angeschlossen sind.

Die Dotierungskonzentration in den n-leitenden Oberflächenzo nen 4, 5, 6, 7, 8 wird so eingestellt, daß die laterale Aus dehnung der Raumladungszone möglichst verkürzt ist. Durch die laterale Variation der Dotierungskonzentration läßt sich er reichen, daß die Randstruktur unempfindlicher gegenüber Ober flächenladungen wird. Auch kann die Gesamtdicke einer Iso lierschicht 13 (lediglich strichliert dargestellt), in die die Feldplatten 11 bis 13 eingebettet sind, auf 2 bis 3 µm reduziert werden, was eine Verringerung von etwa 50% gegen über dem Stand der Technik bedeutet.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Randstruktur, bei der floatende Feldplatten 12, 13 vorgesehen sind. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich die Feldplatte 11 mit der Anodenzone 3 verbunden, während die Feldplatten 12 und 13 nicht über p-leitende Gebiete - wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 3 - an den Halblei terkörper 1 angeschlossen sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Randstruktur, bei dem die p⁺-leitenden Gebiete 9, 10 nicht in die Oberflächenzonen 5, 6 eingebettet sind, sondern vielmehr bis zu dem n^--leitenden Halbleiterkörper 1 reichen. Zusätzlich ist noch eine weitere Feldplatte 14 vorgesehen, die hiermit der n-leitenden Oberflächenzone 6, die am äußer sten Rand der Randstruktur vorgesehen ist, verbunden ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel variiert die Dotierungs konzentration in den n-leitenden Oberflächenzonen 4, 5, 6 zwischen 10¹⁵ Ladungsträger cm^-3 bis 10¹⁷ Ladungsträger cm^-3.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist wesentlich, daß die Do tierungskonzentration in den Oberflächenzonen 4, 5, 6, 7, 8 lateral zwischen 10¹⁵ Ladungsträgern cm^-3 bis 10¹⁷ Ladungsträ gern cm^-3 variiert, wobei grundsätzlich die Dotierungskonzen tration zum Rand hin, also in Richtung auf die Oberflächenzo ne 8 zunimmt.

Die erfindungsgemäße Randstruktur läßt sich besonders vor teilhaft bei Dioden, Transistoren und Thyristoren anwenden. Dies gilt insbesondere auch für IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate).

Claims

1. Randstruktur für Halbleiterbauelemente, insbesondere Dioden, Transistoren und Thyristoren, mit einem Halbleiter körper (1, 2) des einen Leitungstyps, in dem eine Oberflä chenzone (4, 5, 6, 7, 8) des einen Leitungstyps vorgesehen ist, die höher dotiert ist als der Halbleiterkörper (1, 2), und mit im Abstand von der Oberflächenzone (4, 5, 6, 7, 8) vorgesehenen, in oder auf einer Isolierschicht (15) angeord neten Feldplatten (11, 12, 13, 14), bei der:

- die Dotierungskonzentration in der Oberflächenzone (4, 5, 6, 7, 8) lateral zwischen 10¹⁵ Ladungsträgern cm^-3 bis 10¹⁷ Ladungsträgern cm^-3 variiert, und
- der Halbleiterkörper (1) eine Dotierungskonzentration von 8 × 10¹² Ladungsträgern cm^-3 bis 2 × 10¹⁴ Ladungsträgern cm^-3 aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Feldplatten (12, 13) entweder floaten oder über Ge biete (9, 10) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegen gesetzten Leitungstyps an den Halbleiterkörper (1) ange schlossen sind, und
- daß die Gebiete (9, 10) des anderen Leitungstyps in die Oberflächenzone (4, 5, 6, 7, 8) eingebettet sind oder durch die Oberflächenzone (4, 5, 6, 7, 8) bis zum Halbleiterkörper (1) reichen.

2. Randstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der aus Siliziumdioxid bestehenden Iso lierschicht (15) 1 bis 5 µm beträgt.

3. Randstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration in der Oberflächenzone (4, 5, 6, 7, 8) durch Ionenimplantation eingestellt ist.