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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem
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eine erste Zone des einen, ersten Leitungstyps und eine daran mit
einem PN-Übergang angrenzende zweite Zone des anderen, zweiten Leitungstyps enthaltenden
Halbleiterscheibchen, in welchem der PN-Übergang eine Hauptfläche des Scheibchens
längs einer Schnittlinie durchstößt und mit einer Verarmungszone verbunden ist.
Sie betrifft insbesondere eine spannungsverteilende Passivierstruktur auf de# Schnittlinie
von PN-Übergang und Halbleiterscheibchen-Hauptfläche. Die Passivierstruktur soll
es ermöglichen, eine relativ hohe Spannung an der Oberflächen-Schnittlinie des PN-Ubergangs
aufrechtzuerhalten, ohne daß ein Oberflächendurchbruch auftritt.
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Halbleitervorrichtungen enthalten typisch ein Halbleiterscheibchen,
in dem P- und N-leitende Zonen ein oder mehrere PN-Übergänge bilden. In der Regel
schneidet wenigstens einer dieser PN-Übergänge eine Scheibohenoberfläche. Beispielsweise
in einem planaren Halbleiterbauelement, bei dem P- und/oder N-leitende Zonen von
einer Hauptfläche aus in das Halbleitermaterial eindiffundiert sind, schneidet typisch
der PN-Übergang jeder der eindiffundierten Zonen die Scheibchenhauptfläche.
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In der Anwendung, z.B. in Leistungs-Bauelementen, müssen bestimmte
PN-Übergänge bei Betrieb relativ hohe elektrische Felder aushalten können. Es ist
wünschenswert, diese Hochspannungs-PN-Übergänge so auszugestalten, daß sie Spannungen
aufnehmen können, die den theoretischen Volumendurchbruchswert annähernd erreichen.
Bei einem Versuch, die von einem bestimmten PN-Übergang zu haltende Spannung zu
erhöhen, wird typisch eine Passivierung auf der Schnittlinie
von
Übergang und Hauptfläche vorgesehen. Die Passivierung besitzt typisch die Form einer
Schicht aus isolierendem oder halbisolierendem Material, die dazu dient, den PN-Übergang
vor der Einwirkung der Umgebung zu schützen. Eine Vielzahl von Materialien und Materialkombinationen
wurde bereits zum Passivieren vorgeschlagen; hierzu gehören Siliziumdioxid, Siliziumnitrid,
halbisolierendes polykristallines Silizium (SIPOS) und mehrere dotierte und undotierte
Silikatgläser.
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Wenn an einem PN-Übergang ein relativ hohes elektrisches Feld anliegt,
ist ein Bereich in der Nähe der Schnittlinie besonders empfindlich für einen elektrischen
Oberflächendurchbruch. In herkömmlich passivierten Vorrichtungen tritt ein elektrischer
Oberflächendurchbruch bereits bei einer Spannung auf, die nur 70 bis 80 % der Volumendurchbruchspannung
an dem PN-Übergang beträgt. Die maximale Spannung, die ohne Gefahr für das Bauelement
am Übergang anzulegen ist, liegt also weit unter der Volumendurchbruchspannung.
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Es sind daher bereits mehrere Metall-Feld-Schirm-Konstruktionen vorgeschlagen
worden, um die elektrische Oberflächendurchbruchspannung durch Verteilen der Spannung
an der Scheibchenoberfläche in der Nachbarschaft der PN-Übergangs-Schnittlinie zu
erhöhen. Es wird hierzu beispielsweise auf folgende Druckschriften der Anmelderin
verwiesen: RCA Technical Note 1325, "Double Field Shield Structure", J.M.S.
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Neilson et al, 24. Mai 1983; und RCA Technical Note 1326, "Tapered
Field Shield", J.M.S. Neilson et al, 26. Mai 1983.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine spannungsverteilende
Passivierung für eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, durch die die Oberflächendurchbruchspannung
an einer Oberflächenschnittlinie eines Hochspannungs-PN-
Übergangs
annähernd auf den Wert der Volumendurchbruchspannung an dem PN-Übergang erhöht wird.
Insbesondere soll die Konstruktion so verbessert werden, daß der Oberflächendurchbruch
bei einer bestimmten Spannung scharf einsetzt. Vorzugsweise soll die spannungsverteilende
Passivierstruktur auch wirksam sein, wenn das Bauelement bei relativ hohen 0 Temperaturen,
z.B. in der Größenordnung von 200 C, betrieben wird. Die erfindungsgemäße Lösung
ist für das Halbleiterbauelement eingangs genannter Art gekennzeichnet durch eine
auf der Hauptfläche des Scheibchens oberhalb der Schnittlinie und der Verarmungszone
angeordnete elektrisch isolierende Schicht und eine darauf, ebenfalls oberhalb der
Schnittlinie und der Verarmungszone liegende halbisolierende Schicht; sowie erste
Mittel zum ohmschen Verbinden der halbisolierenden Schicht mit einem Teil der ersten
Zone des ersten Leitungstyps und demgegenüber auf vorbestimmten Abstand gesetzte
zweite Mittel zum ohmschen Verbinden der halbisolierenden Schicht mit einem Teil
der zweiten Zone des zweiten Leitungstyps.
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Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden
Einzelheiten der Erfindung und durch die Erfindung zu erzielende Vorteile näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Oberseite des Halbleiterbauelements; und Fig. 2
einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1.
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Nach Fig. 1 und 2 kann die spannungsverteilende Passivierschicht gemäß
vorliegender Erfindung leicht bei der Konstruktion einer Halbleitervorrichtung 10,
wie einem planaren Bipolartransistor, angewendet werden. Die Vorrichtung 10 enthält
ein im wesentlichen ebenes Halbleiterscheibchen
12 mit einer ersten
Hauptfläche 14 und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 16. Angrenzend an
die zweite Hauptfläche 16 wird eine Kollektorzone 18 des ersten Leitungstyps vorgesehen,
die sich bis zur ersten Hauptfläche 14 erstreckt. Die Kollektorzone 18 enthält einen
planaren, relativ gut leitenden Abschnitt 20 angrenzend an die zweite Hauptfläche
16 und einen relativ schlecht leitenden Abschnitt 22, der an den relativ gut leitenden
Abschnitt 20 flächig angrenzt und sich bis zur ersten Hauptfläche 15 erstreckt.
Die Grenzfläche zwischen dem relativ gut leitenden Abschnitt 20 und dem relativ
schlecht leitenden Abschnitt 22 wird im folgenden als Hoch/Tief-Übergang 24 bezeichnet.
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Von der ersten Hauptfläche 14 aus erstreckt sich eine Basiszone 26
des zweiten Leitungstyps in das Scheibchen 12 hinein. Die Basiszone 26 ist verglichen
mit dem schlechter leitenden Kollektorabschnitt 22 relativ hochleitend und bildet
einen Basis/Kollektor-PN-Ubergang 28 mit dem schlechter leitenden Kollektor-Abschnitt
22. Dieser PN-Übergang 28 erstreckt sich bis zu einer vorbestimmten Tiefe von der
ersten Hauptfläche 14 aus in das Scheibchen und enthält einen gekrümmten Bereich
30, derart, daß er eine Schnittlinie 32 mit der ersten Hauptfläche 14 bildet. Innerhalb
der Grenzen der Basiszone 26 erstreckt sich ebenfalls von der ersten Hauptfläche
14 aus eine Emitterzone 34 des ersten Leitungstyps in das Scheibchen 12 so hinein,
daß es mit der Basiszone 26 einen Emitter/Basis-PN-Ubergang 36 bildet. Längs der
Peripherie der ersten Haupfläche 14 erstreckt sich eine Kollektor-Kontaktzone 38
des ersten Leitungstyps in das Scheibchen 12 hinein. Die Kollektor-Kontaktzone 38
ist verglichen mit dem schlechter leitenden Kollektorabschnitt 26 relativ gut leitend.
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Auf die erste Hauptfläche 14 wird eine Emitter-Elektrode 40 aufgesetzt,
die einen ohmschen Kontakt mit der Emitterzone 34 bildet. Ferner wird auf der ersten
Hauptfläche 14 eine Basis-Elektrode 42 vorgesehen, die einen ohmschen Kontakt mit
der Basiszone 26 bildet. Auf die Schnittlinie des Basis/Emitter-Übergangs 36 an
der Oberfläche 14 wird eine Isolierschicht 44 aufgebracht, die zugleich die Emitter-Elektrode
40 von der Basiselektrode 42 trennt. Die Isolierschicht 44 kann beispielsweise aus
Siliziumdioxid bestehen, während die Emitter- und Basiselektroden beispielsweise
aus Aluminium herzustellen sind. Auf die zweite Hauptfläche 16 wird eine Kollektor-Elektrode
46 aufgebracht, die ebenfalls aus Aluminium bestehen kann und einen ohmschen Kontakt
mit dem relativ gut leitenden Kollektorabschnitt 20 bilden soll.
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Bei Betrieb der Vorrichtung liegt am Basis/Kollektor-PN-Übergang 28
eine Spannung an, die in gewissen Teilen der Basis- und Kollektorzonen 26 bzw. 18
angrenzend an den Ubergang eine Verarmungszone erzeugt. Die Größe der Verarmungszone
kann durch den Abstand auf beiden Seiten des Übergangs beschrieben werden, aus dem
im Halbleitermaterial bewegliche Ladungsträger entfernt werden. Die Größe der Verarmungszone
in einer bestimmten Halbleiterzone ist eine Funktion des Konzentrationsprofils der
im Halbleitermaterial befindlichen Verunreinigungen, der Geometrie des PN-Übergangs,
der vom Übergang getragenen Spannung und der Randbedingungen am Ende des Übergangs.
Es wird auch darauf hingewiesen, daß für eine bestimmte, an einem Übergang abfallende
Spannung die Verarmungszone um so breiter ist, je niedriger das elektrische Feld
am Übergang ist. Die theoretisch maximale Spannung, die der Übergang halten kann,
wird
als Volumendurchbruchspannung bezeichnet; bei dieser Spannung hat die Verarmungszone
ihre maximale Größe.
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In Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Struktur wird eine spannungsverteilende
Passivierschicht 48 auf die erste Hauptfläche 14 so aufgebracht, daß sie oberhalb
der Schnittlinie 32 des Basis/Kollektor-PN-Übergangs 28 liegt. Die Passivierschicht
48 enthält eine unmittelbar auf der Hauptfläche 14 befindliche Isolierschicht 50
und eine auf letzterer liegende Halbisolierschicht 52. Die Isolierschicht 50 besitzt
nach Fig. 2 eine seitliche Dimension Dl; mit D1 wird die Breite der Isolierschicht
50 zwischen den angrenzenden Metallkontakten 42 und 54 bezeichnet. Die Isolierschicht
50 wird auf der Hauptfläche 14 so angeordnet, daß sie die größte Verarmungszone
überdeckt, die bei Betrieb an der Schnittlinie 32 des Basis/Kollektor-PN-Übergangs
28 auftritt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Isolierschicht
50 aus Siliziumdioxid, während die Halbisolierschicht 52 halbisolierendes polykristall
ines Silizium - kurz SIPOS - mit einem spezifischen Widerstand von etwa 107 Ohm-cm
enthalten soll. SIPOS des gewünschten spezifischen Widerstands dient als Widerstand
mit hohem Widerstandswert und besitzt eine Sauerstoffkonzentration von etwa 10 bis
20 %. Weitere Einzelheiten zur Struktur von SIPOS werden in der US-PS 40 14 037
angegeben.
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Außer den Kontakt der Basiszone 26 (an einem durch den Basis/Kollektor-PN-Übergang
28 nicht verarmten Abschnitt) bildet die Basiselektrode 42 auch eine ohmsche Verbindung
zwischen der Halbisolierschicht 52 und der Basiszone 26.
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Ferner liegt die Basiselektrode 42 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
so oberhalb der Halbisolierschicht 52, daß sie sich um einen vorbestimmten Betrag,
nämlich um die
Entfernung D2 (Fig. 2) gemessen von der Schnittlinie
32 des Basis/Kollektor-PN-Übergangs, über den schlechter leitenden Abschnitt der
Kollektorzone 22 erstreckt. Es ist zwar nicht wesentlich, daß die Basiselektrode
42 über der Kollektorzone liegt, durch einen solchen Aufbau wird jedoch eine Struktur
geschaffen, die im allgemeinen als Feldschirm der Schnittlinie 32 des Basis/Kollektor-PN-Übergangs
bezeichnet wird.
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Mit Hilfe eines zweiten ohmschen Kontaktes 54 wird die Halbisolierschicht
52 über die relativ gut leitende Kollektorkontaktzone 38 mit dem relativ schlecht
leitenden Kollektorabschnitt 22 ohmsch verbunden. Der zweite ohmsche Kontakt 54
kontaktiert die Kollektorzone 18 an einem nicht durch den Basis/Kollektor-PN-Ubergang
28 verarmten Ort. Zwischen dem zweiten ohmschen Kontakt 54 und der Basiselektrode
42 wird ein vorgegebener Abstand D3 (Fig. 1 und 2) eingehalten. Der Abstand D3 wird
in Abhängigkeit von der berechneten Volumendurchbruchspannung des Bauelements bestimmt.
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Längs des Abschnitts D3 können etwa 10 Volt pro Mikrometer gehalten
werden.
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Ein Abstand D3 von 100 Mikrometern bedeutet also, daß am Basis/Kollektor-PN-Übergang
(28) 1000 Volt Spannung anliegen können (bevor ein Durchbruch auftritt). Ein optimaler
Wert des Abstands D3 sollte so berechnet werden, daß sich etwa 95% der Volumendurchbruchspannung
am Basis/Kollektor-PN-Übergang 28 ergeben. Wenn der Wert von D3 beträchtlich größer
als das Optimum ist, - wenn also beispielsweise mehr als 100 % der Volumendurchbruchspannung
erfaßt werden -wird unnötig Oberfläche des Bauelements geopfert. Wenn der Wert von
D3 dagegen beträchtlich kleiner als der optimale Wert ist, kann der elektrische
Oberflächendurchbruch vorzeitig auftreten.
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In herkömmlich passivierten Halbleitervorrichtungen tritt der Durchbruch
im allgemeinen bei einer Spannung beträchtlich unterhalb der maximalen Volumendurchbruchspannung
auf.
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In dem erfindungsgemäßen Bauelement 10 wird das mit dem Basis/Kollektor-PN-Übergang
28 verbundene elektrische Feld durch die spannungsverteilende Passivierschicht 48
und die damit gekoppelten ohmschen Verbindungen gleichmäßig über die Hauptfläche
14 zwischen dem Basis/Kollektor-Übergang 28 und der Kollektorkontaktzone 38 verteilt.
Die Spannung zwischen der Basiszone 26 und der Kollektorzone 18 wird linear verteilt
und dadurch eine Verbreiterung der mit dem Basis/-Kollektor-PN-Übergang 28 verbundenen
Verarmungszone erreicht. Das wiederum führt im erfindungsgemäßen Bauelement zu einer
höheren Durchbruchspannung an der Oberfläche und in der Nachbarschaft des gekrümmten
Teils 30 des PN-Übergangs 28.
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Unter Verwendung der erfindungsgemäßen, spannungsverteilenden Passivierstruktur
sind Durchbruchspannungen von 1100 bis 1300 Volt erreicht worden, das sind 95 bis
98 % der Volumendurchbruchspannung des zu passivierenden Übergangs.
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Es kommt hinzu, daß der Durchbruch bei einer bestimmten Spannung scharf
einsetzt und für das Bauelement nicht schädlich ist. In der Halbleitervorrichtung
können mehr als 20 Watt bei 1000 Volt, das entspricht 20 Milliampere, sicher abgeleitet
werden. Weiterhin ist die beschriebene, spannungsverteilende Passivierstruktur vorteilhaft,
wenn die Vorrichtung bei relativ hohen Temperaturen, z.B. in der Größenordnung von
200 0C betrieben wird. Das wird dadurch begründet, daß jede bei erhöhten Temperaturen
auftretende Verminderung des spezifischen SIPOS-Widerstandes durch die wegen der
höheren Temperaturen vergrößerten Leckströme über den Basis/Kollektor-Übergang mehr
als wettgemacht wird.
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Die erfindungsgemäße Struktur kann nach herkömmlichen Verfahrenstechniken
hergestellt werden. Das Herstellungsverfahren läßt sich problemlos in übliche Fotolithografie-
und Niederschlagstechniken der Halbleiterindustrie einpassen.
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Die Erfindung wurde vorstehend zwar für die Anwendung bei einem planaren
Bipolartransistor beschrieben, es handelt sich hierbei jedoch nur um ein Ausführungsbeispiel,
denn die Struktur kann ebenso vorgesehen werden auf Feldeffekttransistoren, z.B.
MOS-Bauelementen, Thyristoren, Dioden und nicht planaren Vorrichtungen sowie natürlich
auch auf nicht planaren Halbleiterscheibchen-Oberflächen. Schließlich ist die Konstruktion
auf planare, integrierte Schaltkreisstrukturen, z.B. integrierte Hochspannungs-Leistungskreise
anwendbar.