DE2846637A1 - Halbleiterbauelement mit mindestens einem planaren pn-uebergang und zonen- guard-ringen - Google Patents

Halbleiterbauelement mit mindestens einem planaren pn-uebergang und zonen- guard-ringen

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DE2846637A1
DE2846637A1 DE19782846637 DE2846637A DE2846637A1 DE 2846637 A1 DE2846637 A1 DE 2846637A1 DE 19782846637 DE19782846637 DE 19782846637 DE 2846637 A DE2846637 A DE 2846637A DE 2846637 A1 DE2846637 A1 DE 2846637A1
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    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/0615—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
    • H01L29/0619—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE] with a supplementary region doped oppositely to or in rectifying contact with the semiconductor containing or contacting region, e.g. guard rings with PN or Schottky junction

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Description

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Halbleiterbauelement mit mindestens einem planaren PN-Uebergang und Zonen-Guard-Ringen
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit mindestens einem planaren PN-üebergang und mit Zonen-Guard-Ringen9 die eine Verbesserung des Sperrverhaltens dieses üeberganges bewirken sollen.
Derartige Halbleiterbauelemente sind beispielsweise in dem Buch von A. Blicher, "Thyristor Physics" Springer New York 1976* PP· 231-241, beschrieben. Diese bekannten Bauelemente besitzen jedoch den Nachteil, dass bei Sperrspannungen ^, 2 kV eine Vielzahl von Guard-Ringen erforderlieh sind, die einen entsprechend grossen Teil der Aktivfläche beanspruchen..
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Halbleiterbauelemente der eingangs beschriebenen Art zu optimieren, und zwar derart, dass gegenüber bekannten Bauelementen bei gleicher Sperrspannung entweder die Zahl der erforderlichen Guard-Ringe oder der Abstand der Guard-Ringe voneinander verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteranspriiche enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Merkmale.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den folgenden, anhand von Zeichnungen näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
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- 4 Es zeigt:
Pig. 1 schematisch den Querschnitt einer in Sperrrichtung gepolten Diode mit zusätzlichen, den Guard-Ringen vorgelagerten N -Zonen,
Pig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt desjenigen Bereiches der Diode nach Fig.. 1, der zwischen dem PN-Uebergang und dem 1. Guard-Ring liegt (a) sowie die Peldstärkeverteilung in diesem Bereich Xb),
Fig. 3 den gleichen Bereich wie Pig. 2, intern ausser der erwähnten N -Zone noch eine zusätzliche N~-Zone vorgesehen ist (a) sowie die Peldstärkeverteilung in diesem Bereich (b),
Fig. 4 die Verwendung der erfindungsgemässen Struktur bei einem Thyristor.
Die in Fig. 1 wiedergegebene Halbleiterdiode besteht aus einer schwachdotierten N-Basiszone 1 mit einer Dotierungs-
14 -l konzentration von beispielsweise 10 cm J und einer in diese Basiszone hineindiffundierten P-Zone 2, deren Stör-Stellenkonzentration beispielsweise an der Oberfläche 10 cm J betragen kann. Aufgrund der wesentlichen schwächeren Störstellenkonzentration ist die Weite der Raumladungszone 3 in der N-Zone 1, gemessen vom PN-Uebergang 4, wesentlich grosser als diejenige der Raumladungszone 3' in der P-Zone 2. Durch die Guard-Ringe 5 wird eine zusätzliche Aufweitung dieser Raumladungszone entlang der Oberfläche des Bauelementes bewirkt (zur Wirkungsweise der Guard-Ringe vergleiche die eingangs zitierte Arbeit von Bücher). Dem jeweiligen PN-seitigen Rand der Guard-Ringe 5 ist erfin-
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dungsgemäss eine N -Zone 6 vorgelagert. Die Dotierungskon-
17 -3 zentration dieser Zone beträgt beispielsweise 10 cm an der Oberfläche des Bauelementes.
Die Wirkungsweise der N -Zone 6 geht aus Fig. 2, insbesondere Abbildung b) hervor. Die Punkte A, B, D charakterisieren den dreieckförmigen Verlauf der Feldstärke, wie er sich ergibt, wenn die N -Zone 6 fehlt. Diese zusätzliche, als Stoppschicht wirkende Zone führt nun aufgrund ihrer hohen Dotierungskonzentration zu einem trapezförmigen Verlauf der Feldstärke, der in Abbildung b) durch die Punkte A1, B', C, E1 gekennzeichnet ist. Die durch das Integral: JE dx definierte Spannungsaufnahme kann also, wie aus Abbildung b) unmittelbar ersichtlich ist, mit der zusätzlichen N -Zone 6 wesentlich grosser sein, als bei den bekannten Bauelementen ohne diese Zone. Vergleicht man den Abstand zwischen den P-Zonen, so bewirkt die N -Zone eine Verkürzung dieses Abstandes, nämlich von d1 auf d. Damit ist es also möglich auf einer vorgegebenen Fläche mehr Guard-Ringe unterzubringen, als dieses bei bekannten Halbleiterbauelementen bisher möglich war (in günstigen Fällen beträgt d * ~).
Die neue Struktur stellt also insbesondere in all den Fällen eine vorteilhafte Lösung dar, in denen bisher ßuard-Ring-Strukturen zwar einerseits erwünscht waren, weil sie etwa neben der Herabsetzung der Oberflächenfeldstärke auch eine Verminderung der Wirkung der gekrümmten PN-Uebergänge 4 brachte, in denen aber andererseits die für die Guard-Ring-Struktur benötigte Fläche zu gross war.
Die Breite der N -Zone 6 wird in der Regel so gewählt, dass mindestens ein Punkt dieser Zone immer feldfrei bleibt. Sie liegt etwa zwischen 10 um und 200 pm. Die
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gleichen ueberlegungen gelten auch für die Tiefe der N Zonen. Auch sie liegen üblicherweise, gemessen von der Oberfläche des Bauelementes/zwischen 10 um und 200 um. In Einzelfällen kann es allerdings zweckmässig sein, von den vorstehenden Richtwerten abzuweichen. Etwa wenn zwecks genauer Einstellung des Feldstärkeverlaufs im Bereich der Punkte C3 E* (Fig. 2b) nachträglich die Oberfläche der N -Zone 6 geätzt werden muss, um die Dotierungskonzentration dieser Zone zu verringern. Eine weitere Möglichkeit der Einstellung des entsprechenden Feldstärkewertes besteht darin, von vornherein durch eine entsprechende Maskierung mit ansehliessender Diffusion so sehmale N -Zonen 6 herzustellen, dass zwar entgegen der oben erwähnten Dimensionierung die N -Zonen keinen feldfreien Bereich mehr aufweisen, dass dafür aber die Feldstärke in dem Bereich C, E'genau die gewünschten Werte aufweist.
Der Abstand zwischen > der N -Zone 6 und dem Gfuard-Ring 5
ist nie]
liegen.
ist nicht kritisch. Es kann zwischen 0 und etwa 50 «m
Mit der in Fig. 3 wiedergegebene Struktur lässt sich durch die dort zusätzlich vorgesehene schwachdotierte N~-Zone 7 eine noch bessere Annäherung an eine gewünschte rechteckige Feldverteilung erreichen (vgl. Fig. 3b). Diese Zone kann entweder den ganzen Bereich oder aber, wie in Fig. 3a dargestellt, einen Teil des Bereiches zwischen der P-Zone 2 und der N -Zone S ausfüllen.
Die gegenüber der M-Zone 1 geringere Dotierung der N~-Zone 7 kann direkt durch Ausdiffusion oder Epitaxie erzeugt werden. Indirekt lässt sich die Dotierungskonzentration dieser Zone über eine schwache Kompensation der Störstellen entweder mittels Ionenimplantation (kombiniert mit Diffusion)
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oder durch P-DIffusion (eventuell mit anschliessendem Abätzen einer Oberflächenschicht) einstellen.
Um die Bildung von unerwünschten Inversionskanälen zu vermeiden* sollte die Dotierungskonzentration der N"-Zone 7 an der Oberfläche aber einen Wert aufweisen» der je nach Art der Passivierungsschicht »10 ^ ... 10 cm ist.
Bei Halbleiterbauelementen mit einer N-Basiszone 1 die eine
14 -1S mittlere Dotierungskonzsntrationflfc 10 cm J besitzen, ist es daher nicht sinnvoll eine zusätzliche N~-Zone 7 vorzusehen. Vielmehr kann es in diesen Fällen zweckmässig sein, die N"*-Zone 7 durch eine N2-Zone zu ersetzen. Die Dotierungskonzentration dieser Zone liegt einerseits zwar oberhalb der Dotierungskonzentration der M-Zone 1. Andererseits aber unterhalb der N+-Zone. Sie wird derart gewählt, dass sich unter Einhaltung einer noch zulässigen Feldstärke, ein aögliöhet grosser Wert ddt = /e · dx ergibt. Falls diese N -Schicht den gesamten Bereich zwischen der P-Zone 2 und der H^-Zone 6 ausfüllt, wird dadurch die Bildung unerwünschter Inversionskanäle unterdrückt.
Die beschriebene Erfindung eignet sich nun keineswegs nur für Dioden* sondern für beliebige Halbleiterbauelemente ■it PN-Zonenübergängen. In Fig. 4 ist beispielsweise ein Querschnitt durch einen Teil eines Thyristors dargestellt. Zur Verbesserung des Sperrverhaltens des in Vorwärtsrichtung sperrenden Ueberganges I« sind an der Oberfläche der N-Basis 1* ein Guard-Ring 5' und eine M+-Zone 61 vorgesehen. Hingegen zur Verbesserung des Sperrverhaltens des in RttckwÄrtsrichtung massgeblichen sperrenden ueberganges I1 sind ein Gfuard-Ring 5"> eine N+-Zone 6" und eine N~-Zone 7" vorgesehen.
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Claims (5)

  1. BBC Aktiengesellschaft
    Brown, Boveri .
    Baden (Schweiz) · 137/78
    Patentansprüche
    Halbleiterbauelement mit mindestens einem planaren PN-Uebergang und mit Zonen-Guard-Ringen, die eine Verbesserung des Sperrverhaltens dieses. Überganges bewirken sollen, dadurch gekennzeichnet, dass dem jeweiligen PN-Uebergang-seitigen Rand der Guard-Ringe (5a 5'» 5") eine Zone (6, 61, 6") vorgelagert ist, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp ist, wie die die Guard-Ringe (5, 5', 5") umgebende Halbleiterzone (1), die aber eine höhere Dotierungskonzentration aufweist als letztere..
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration und die Breite der den Guard-Ringen (59 5'a 5") vorgelagerten Zone (6, 61, 6") so gewählt sind, dass bei in Sperrrichtung gepoltern PN-Uebergang (4, J1, J2) mindestens ein Punkt dieser Zone (6, 6', 6") feldfrei bleibt, und wobei die Breite dieser Zone (6, 61, 6") vorzugsweise zwischen 10 um und 200 pm liegt.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem jeweiligen Guard-Ring (5, 51, 5") und der diesem Ring vorgelagerten Zone (6, δ1, 6") zwischen 0 und 50 tun liegt.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Guard-Ringen (5, 5', 5") sowie zwischen dem PN-Uebergang (4) und dem ersten Guard-Ring (5» 5fj 5") eine weitere Zone (7, 71) befindet, die zwar vom gleichen Leitfähig-
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    keitstyp ist, aber eine geringere Dotierungskonzentration aufweist wie die die Guard-Ringe umgebende Halbleiterzone (1).
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4S dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration der weiteren Zone (7, 71) an der Oberfläche des Bauelements einen · Wert >- 101^ cm~^ aufweist.
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DE19782846637 1978-10-11 1978-10-26 Halbleiterbauelement mit mindestens einem planaren pn-uebergang und zonen- guard-ringen Withdrawn DE2846637A1 (de)

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