DE3721001C2

DE3721001C2 -

Info

Publication number: DE3721001C2
Application number: DE19873721001
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Phys. Meinders; Christian Dipl.-Phys. Dr. 7410 Reutlingen De Pluntke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-06-25
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1993-04-22
Also published as: WO1988010512A1; DE3721001A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein hochsperrendes Halbleiterbauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Planare Halbleiterbauelemente sind zum Schutz gegen atmosphärische Einflüsse herstellungsbedingt durch eine auf ihnen angeordnete Passivierungsschicht aus dem Oxid des Halbleitermaterials geschützt. Ein Halbleiterbauelement mit einer derartigen Passivierungsschicht ist beispielsweise aus der GB-PS 10 76 371 bekannt.

Hochsperrende Halbleiterbauelemente, die besonders rauhen Umweltbe dingungen ausgesetzt sind, müssen jedoch zum Schutz gegen Kurzschluß durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch Metallsplitter oder sonstige Verunreinigungen, mit einer zusätzlichen Passivierungs schicht versehen werden, die auf die herstellungsbedingte, aus dem Oxid des Halbleitermaterials bestehende Passivierungsschicht auf gebracht wird. Als Passivierungssubstanzen eignen sich hierbei beispielsweise silikonhaltige Kunststoffe und Polyimidlacke.

Untersuchungen haben nun aber gezeigt, daß es keine derartige zu sätzliche Abdeckung gibt, die auf herkömmlichen planaren Halbleiter strukturen nicht zu einer Degradation der Sperrkennlinien im Laufe eines Hochtemperatur-Hochspannungssperrdauerlaufes (Hot-Reverse- Test) führt. Die Ursache hierfür ist in den in allen Kunststoffen vorhandenen polaren Gruppen und Ionen zu suchen, die unter dem Einfluß hoher Feldstärken zu lokalen Aufladungen auf dem Oxid und somit zu einer Veränderung der Sperreigenschaften der Halb leiterbauelemente führen. Zum anderen werden bereits durch den bei anliegender Spannung fließenden Sperrstrom Ladungen in das Oxid und an die Grenzfläche Oxid/Halbleiter gebracht, die in der gleichen Weise die Sperreigenschaften des Halbleiterbauelements verschlechtern.

Aus der DE-OS 31 22 352 ist nun bereits ein Halbleiterbauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs bekanntgeworden, bei dem ein elektrisch floatender Metallring am Rand des Halbleiterplättchens auf die Halbleiteroxidschicht aufgebracht wurde, um die oben erwähnte Wirkung der auf das Halbleiterbauelement aufgebrachten Pas sivierungsschichten zu mindern. Umfangreiche Untersuchungen haben nun aber gezeigt, daß mit einem am Rande des Halbleiterplättchens oberhalb des Halbleitergrundmaterials auf die aus dem Oxid des Halbleitermaterials bestehende Passivierungsschicht aufgebrachten elektrisch floatenden Metallring das gewünschte Ziel, die Degradation der Sperrkennlinie im Laufe eines Hochtemperatur-Hochspannungssperrdauerlaufes (Hot-Reverse-Test) zu vermeiden, nicht erreicht werden kann. Vielmehr tritt nach wie vor im Verlaufe eines solchen Tests die genannte unerwünschte Degradation der Sperrkennlinie auf.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung

Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Degradation der Sperrkennlinie im Verlaufe des Hochtemperatur-Hochspannungssperrdauerlaufes zu verhindern.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine bekannte rotationssymmetrisch ausgebildete planare Halbleiterdiode;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer rotationssymmetrisch ausgebildeten planaren Halbleiterdiode gemäß der Erfindung, das eine einzige torusförmige Hilfszone und einen kreisringförmigen Metallring enthält, der oberhalb dieser Hilfs zone angebracht ist;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer rotationssymmetrisch ausgebildeten planaren Halbleiterdiode gemäß der Erfindung mit drei torusförmigen Hilfszonen und einem oberhalb der mittleren dieser Zonen angebrachten kreisringförmigen Metallring, wobei nur eine Hälfte der Diode von ihrer Mittelachse ab nach rechts dargestellt ist.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine bekannte planare Halbleiterdiode, die in rotationssymmetrischer Ausführung zu denken ist, im Schnitt dargestellt. Ein Halbleiterplättchen 10 aus einkristallinem Silizium mit n-Leitfähigkeit dient als Halbleitergrundmaterial. In das Halbleiterplättchen 10 ist von seiner Oberseite (erste Hauptober fläche) her eine kreisrunde Hauptzone 11 mit p-Leitfähigkeit eindiffundiert. Die p-leitende Hauptzone 11 bildet die Anodenzone, der verbleibende n-leitende Bereich des Halbleiterplättchens die Kathodenzone der Halbleiterdiode. Im gleichen Diffusionsschritt mit dem Eindiffundieren der p-leitenden Hauptzone 11 (Anodenzone) sind in das Halbleiter-Grundmaterial zwei torusförmig ausgebildete p-leitende Hilfszonen 1 und 2 eindiffundiert worden, die die Haupt zone 11 koaxial umgeben. Da die beiden Hilfszonen 1 und 2 in einem Arbeitsgang mit der Hauptzone 11 hergestellt wurden, haben die Hilfszonen 1 und 2 dieselbe Diffusionstiefe, dasselbe Diffusions profil und dieselbe Oberflächenkonzentration wie die Hauptzone 11. An der Oberseite des Halbleiterplättchens 10 ist, bedingt durch die Anwendung der Planartechnologie, eine aus Siliziumdioxid bestehende Passivierungsschicht 12 gebildet, die die Oberseite des Halbleiter plättchens mit Ausnahme eines auf der Hauptzone 11 freigeätzten Kontaktfensters vollständig bedeckt. Innerhalb des Kontaktfensters befindet sich eine im Anschluß an das Freiätzen des Kontaktfensters innerhalb dieses Fensters auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachte Anodenmetallisierung 13, die zum äußeren Anschluß der Anodenzone 11 der Halbleiterdiode dient. Zum Anschluß der Kathodenzone der Halb leiterdiode ist auf die Unterseite des Halbleiterplättchens 10 eine durchgehende Kathodenmetallisierung 14 aufgebracht. Eine derartige Halbleiterdiode ist beispielsweise aus der GB-PS 10 76 371 bekannt. Zum besonderen Schutz der Halbleiterdiode gegen Verunreinigungen kann auf die aus Siliziumdioxid bestehende erste Passivierungs schicht 12 noch eine zweite Passivierungsschicht 15 aufgebracht sein, die in Fig. 1 ebenfalls dargestellt ist und aus einem silikonhaltigen Kunststoff oder aus Polyimidlack bestehen kann.

Die Wirkung der in das Halbleiter-Grundmaterial eingebrachten torus förmigen Hilfszonen 1, 2 ist in der GB-PS 10 76 371 ausführlich beschrieben. Im Vergleich zu einer Halbleiterdiode ohne die genann ten Hilfszonen 1, 2 wird bei der Anordnung nach Fig. 1 die Aus dehnung der Raumladungszone bei Anlegen einer Sperrspannung durch die Wirkung der Hilfszonen 1, 2 vergrößert, der Krümmungsradius der Äquipotentiallinien zur ersten Hauptoberfläche (Oberseite) des Halb leiterplättchens hin reduziert und somit die Durchbruchsspannung vergrößert. Demgegenüber haben die torusförmigen Hilfszonen 1, 2 beim Hot-Reverse-Test keine stabilisierende Wirkung auf die Durch bruchsspannung: Die aus der Passivierungsschicht 15 an die Grenz fläche der beiden Schichten 12 und 15 gelangenden Ladungen und die an die Oxid-Silizium-Grenzfläche gelangenden heißen Elektronen können bei den anzuwendenden hohen Temperaturen unter dem Einfluß des anliegenden elektrischen Feldes ungehindert driften und somit zur Degradation der Sperrkennlinie führen.

Zur Vermeidung dieses Nachteils dienen bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und 3 die dort zusätzlich eingeführten erfin dungsgemäßen Maßnahmen:

Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbei spiel, das wieder rotationssymmetrisch zu denken ist. Hier ist zur Erhöhung der Durchbruchsspannung nur eine einzige torusförmige Hilfszone 1 vorgesehen. Um eine Degradation der Sperrkennlinie beim Hot-Reverse-Test zu verhindern, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auf die erste Passivierungsschicht 12 genau oberhalb der torusförmigen Hilfszone 1 ein kreisringförmig ausgebildeter elektrisch floatender Metallring 16 aufgebracht, der die Hauptzone 11 und deren Anschlußmetallisierung 13 koaxial umgibt. Der elektrisch floatende Metallring 16 weist dabei eine geringere Breite als die p-leitende Hilfszone 1 auf, so daß der Metallring 16 die Hilfszone 1 - in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des Halb leiterplättchens gesehen - nirgends überlappt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kann in besonders vorteilhafter Weise dergestalt modifiziert werden, daß es nicht als Planardiode, sondern als planarer Transistor ausgebildet wird. In diesem Falle ist die zentrale Hauptzone 11 des Halbleiterbauelements als Basis zone des Transistors zu betreiben. Demzufolge ist in die Hauptzone 11 in diesem Anwendungsfalle eine in der Zeichnung nicht darge stellte Emitterzone vorzugsweise zentral einzudiffundieren und sowohl die Basis- als auch die Emitterzone entsprechend zu kontaktieren. Eine derartige Anordnung kann in besonders vorteil hafter Weise als Zündtransistor in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.

Fig. 3 zeigt einen Axialschnitt durch ein zweites, bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer rotationssymmetrisch ausgebildeten planaren Halbleiterdiode gemäß der Erfindung, wobei nur die eine Hälfte der Diode von der Symmetrieachse ab nach rechts dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei konzentrisch zu dieser Achse verlaufende torusförmige p-leitende Hilfszonen 1, 2, 3 und auf der Passivierungsschicht 12 speziell oberhalb der zweiten Hilfszone 2 ein elektrisch floatender Metallring 16 vorgesehen, der schmäler als die zugehörige zweite Hilfszone 2 ausgebildet ist. Das hochohmige n-leitende Grundmaterial des Halbleiterplättchens 10 hat dabei eine Dotierung zwischen 5×10¹³/cm³ und 5×10¹⁵/cm³. Mit der Bezugsziffer 17 ist die erwartete, mit gestricheltem Linien zug berandete Raumladungszone bezeichnet, die sich ergibt, wenn die Diode eine Durchbruchsspannung von 1500 Volt hat und im Hot- Reverse-Test mit einer Sperrspannung von 1000 Volt, also mit zwei Dritteln ihrer Durchbruchsspannung, belastet wird.

Die in das Halbleiter-Grundmaterial eindiffundierten Hilfszonen 1, 2, 3 haben beim Hot-Reverse-Test keine stabilisierende Wirkung auf die Durchbruchsspannung: Die auf die Siliziumdioxidschicht 12 gelan genden Ladungen, die hauptsächlich aus dem Material der zweiten Passivierungsschicht 15 stammen, und die an die Oxid-Silizium-Grenz fläche gelangenden heißen Elektronen können bei Temperaturen von 150°C und unter dem Einfluß des anliegenden elektrischen Feldes ungehindert driften und würden somit - ohne den Metallring 16 - zur Degradation der Sperrkennlinie führen. Gegen die Drift der Ladungen, die auf die Siliziumdioxidschicht 12 gelangen, wirkt jedoch der elektrisch floatende Metallring 16, der oberhalb der mittleren Hilfszone 2 liegt, als Sperre. Diese Lage des floatenden Metallrings 16 wurde deshalb gewählt, weil sich beim Hot-Reverse-Test mit 1000 Volt Sperrspannung die mittlere Hilfszone 2 gerade noch innerhalb der Raumladungszone 17 befindet. Entsprechend dem Flächenverhältnis der Bereiche außerhalb und innerhalb des Metallrings 16 gelangen mehr negative Ladungen von der Innenseite als positive Ladungen von der Außenseite auf den Metallring 16. Somit wird der Metallring 16 negativ aufgeladen; er befindet sich am Ende der Drift auf einem niedrigeren Potential als die darunterliegende zweite Hilfszone 2. Wegen des geringen Abstandes des Metallringes 16 zu derjenigen Stelle, an der die Raumladungszone 17 an der Oberseite des Halb leiterplättchens 10 endet, und der geringen Zahl von Ionenladungen in diesem Bereich degradiert die Sperrspannung somit nicht.

Entscheidend für die beobachtete geringe Spannungsdrift dieser Struktur ist das geringe Flächenstück zwischen dem Ende der Raum ladungszone und dem äußere Ende der Metallkante. Nur die in diesem Flächenstück noch verbleibenden Ladungen können nach ihrer Trennung zur Degradation der Raumladungszone und somit zur Drift der Sperr kennlinien beitragen. Will man aber optimale Hot-Reverse-Ergebnisse erzielen, muß dafür gesorgt werden, daß dieses Flächenstück minimal gehalten wird. Das bedeutet aber, daß diese Struktur immer nur für eine angelegte Spannung optimiert werden kann. Eine andere Betriebs spannung macht sofort die Anpassung der Ringstrukturen an die geän derten Raumladungsverhältnisse notwendig.

Wäre der Metallring 16 dagegen durch ein in die Siliziumdioxid schicht 12 eingebrachtes Kontaktfenster mit der darunterliegenden zweiten Hilfszone 2 elektrisch verbunden, dann müßte bei der nega tiven Aufladung des Metallrings 16 die zweite Hilfszone 2 dieser Potentialabsenkung folgen. Somit würde sich die Raumladungszone 17 im Laufe des Hot-Reverse-Tests bis zur dritten Hilfszone 3 und auch noch darüber hinaus bis an die n⁺-Zone 18 ausdehnen. Die hierdurch auftretende Verschlechterung der Sperrkennlinie bei angeschlossenem Metallring 16 ist bei entsprechenden Versuchen mit einer so modifi zierten Halbleiteranordnung auch tatäschlich beobachtet worden.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiele hochsperrender Planardioden beschränkt. Insbeson dere müssen die Ringstrukturen nicht kreisringförmig ausgebildet sein. Es können auch rechteckförmige, rautenförmige, ovale oder anderswie gestaltete Ringstrukturen verwendet werden, wobei auch die Symmetrie der Anordnung nicht zwingend ist. Jedoch müssen die Ringe im wesentlichen geschlossen sein. Ferner können die erfindungs gemäßen Maßnahmen in vorteilhafter Weise auch bei anderen hoch sperrenden Halbleiterbauelementen vorgesehen werden, beispielsweise bei hochsperrenden Planartransistoren oder bei hochsperrenden halb planaren Thyristoren. Im zuletzt genannten Falle wird beispielsweise der kathodenseitige hochsperrende pn-Übergang planar hergestellt und mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ringstruktur versehen.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung solcher erfin dungsgemäßer hochsperrender Halbleiterbauelemente als aktive Bauelemente in Zündeinrichtungen von Kraftfahrzeugen erwiesen.

Claims

1. Hochsperrendes Halbleiterbauelement, beispielsweise Planardiode, Planartransistor oder halbplanarer Thyristor, mit einem Halbleiter plättchen (10) aus einem Grundmaterial eines ersten Leitfähigkeits typs, mit einer von einer ersten Hauptoberfläche in das Halbleiter plättchen (10) eindiffundierten Hauptzone (11) eines zweiten, ent gegengesetzten Leitfähgigkeitstyps, mit mindestens einer von der ersten Hauptoberfläche in das Halbleiterplättchen (10) eindiffun dierten ringförmigen Hilfszone (1, 2, 3) des zweiten Leitfähigkeits typs, die die Hauptzone (11) mit Abstand umschließt, mit einer an der ersten Hauptoberfläche angebrachten, zum äußeren Anschluß der Hauptzone (11) dienenden Anschlußmetallisierung (13), mit einer an der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterplättchens angebrachten Passivierungsschicht (12) aus dem Oxid des Halbleitermaterials, die den außerhalb der Anschlußmetallisierung (13) liegenden elektrisch aktiven Bereich des Halbleiterplättchens (10), in den sich beim Be trieb des Bauelements die Raumladungszone (17), von der Hauptzone (11) ausgehend, hinein erstreckt, ganzflächig bedeckt, und mit einem elektrisch floatenden Metallring (16), der auf die Passivierungs schicht (12) aufgebracht ist und die Hauptzone (11) und deren Anschlußmetallisierung (13) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch floatende Metallring (16) oberhalb der ringförmigen Hilfszone (1 in Fig. 2) bzw. oberhalb einer (2 in Fig. 3) der ringförmigen Hilfszonen (1, 2, 3) angebracht ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch floatende Metallring (16) eine geringere Breite als die darunterliegende ringförmige Hilfszone (1; 2) hat.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch floatende Metallring (16) - in der Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleiterplättchens (10) gesehen - die darunterliegende ringförmige Hilfszone (1; 2) nirgends überlappt.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit drei ringförmigen Hilfszonen (1, 2, 3), dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Passivierungsschicht (12) aufgebrachte floatende Metallring (16) - von der Hauptzone (11) aus gesehen - über der zweiten ring förmigen Hilfszone (2) angebracht ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer möglichst geringen Sperr spannungsdrift im Sperrspannungsdauerlauf oder im Betrieb der Abstand zwischen der äußeren Metallkante des floatenden Metallrings (16) und der bei der anliegenden Spannung sich einstellenden Grenze der Raumladungszone (17) minimal gehalten wird.

6. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als aktives Bauelement in einer Zündeinrichtung eines Kraft fahrzeuges.