DE3806164C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit hoher Durchbruchspannung nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1.
Bei Halbleiterbauelementen mit hoher Durchbruchspannung werden die einzelnen Bauelemente dielektrisch wirksam getrennt oder entkoppelt.
Fig. 1 veranschaulicht eine durch dieses dielektrische Trennen erhaltene herkömmliche Hochspannungs-Diode.
Die Anordnung nach Fig. 1 umfaßt ein durch Verbinden eines p⁺- oder n⁺-Si-Substrats 1a und eines n--Si-Substrats 1b nach Direktverbindungstechnik gebildetes Si-Plättchen 1 mit einem an einer Verbin­ dungsgrenzfläche 3 erzeugten Oxidfilm 2. Ein Teil des n--Si-Substrats 1b des Si-Plättchens 1 ist unter Ausbildung einer Rille bis zu einer die Verbindungs­ grenzfläche 3 erreichenden Tiefe geätzt, so daß eine inselartige n--Schicht 4 gebildet ist. Auf einer Innenfläche der Rille ist ein Oxidfilm 5 erzeugt, und eine polykristalline Si-Schicht 6 ist darin eingelas­ sen. In einem Mittelteil der n--Schicht 4, der durch die Oxidfilme 2 und 5 von den anderen Bereichen oder Zonen getrennt worden ist, ist eine p⁺-Schicht 8 ausgebildet, um die herum eine p--Schicht 9 erzeugt ist, so daß eine Diode gebildet ist. Außerdem ist in einem Umfangsflächenteil der n--Schicht 4 unter Bildung einer Anodenelektrode eine n⁺-Schicht 10 erzeugt.
Wenn bei der beschriebenen Diode eine Vorspannung in Sperrichtung zwischen Anode und Kathode angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der p⁺- Schicht 8 in die n--Schicht 4. Wenn die Sperrspannung vergrößert wird, erweitert sich eine Verarmungsschicht von der n⁺-Schicht, bis sie den am Boden der n--Schicht 4 gebildeten Oxidfilm 2 erreicht. Die Verarmungsschicht kann sich dann nicht weiter ausdehnen. Da das Potential am Substrat 1 normalerweise auf 0 V gesetzt ist, liegt die Spannung zwischen Anode und Kathode an der in der p--Schicht 4 erzeugten Verarmungsschicht und dem Oxidfilm 2. Da jedoch der Oxidfilm 2 sehr dünn ist und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, liegt der größte Teil der Spannung in der Verarmungs­ schicht. Um dabei die Durchbruchspannung der Diode aus­ reichend zu erhöhen, muß daher die Dicke der n--Schicht 4 ausreichend vergrößert werden. In diesem Fall muß aber auch die Tiefe der Rille für Elementtrennung entsprechend vergrößert werden. Hierbei wird es schwie­ rig, eine dielektrische Trennung, insbesondere in Seiten- bzw. Querrichtung, zu erreichen. Wenn zudem die auf der Oberfläche erzeugte p--Schicht 9 beim vollstän­ digen Verarmen der n--Schicht 4 nicht gleichzeitig verarmt wird, kann leicht ein Durchgriff zwischen den p-- und n⁺-Schichten 9 bzw. 10 auftreten.
Darüber hinaus treten zahlreiche Kristallgitterdefekte im Bereich der Rillen auf. Bei der Ausbildung von Tran­ sistoren in der Schicht 4 werden zahlreiche Rekombina­ tionen erzeugt, und die Lebensdauer von Ladungs­ trägern wird herabgesetzt, so daß die Stromverstärkung verringert ist.
Beim beschriebenen Halbleiterelement mit der herkömm­ lichen dielektrischen Trennstruktur muß die Dicke einer hochohmigen Halbleiterschicht ausreichend vergrößert werden, um eine ausreichend hohe Durchbruchspannung zu erzielen. Bei einer solchen Anordnung wird jedoch die Elementtrennung vom technischen Standpunkt aus schwierig.
Aus EP 1 04 454 A2 und aus US-Z Electronics, Bd. 42, 31. März 1969, Seiten 90-95, sind Halbleiterbauelemente mit erhöhter Durchbruchspannung bekannt, bei denen auf einem Halbleitersubstrat inselförmige durch einen Iso­ lierfilm von dem Substrat isolierte Halbleiter-Zonen gebildet sind, auf deren dem Isolier-Film gegenüberlie­ genden Oberfläche weitere verschieden dotierten Halb­ leiterzonen eingebettet sind. Am an den Isolierfilm grenzenden Bodenabschnitt der inselförmigen Halbleiter­ zone ist eine zsätzliche Halbleiterzone mit höherer Fremdatomkonzentration angeordnet.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines eine hohe Durchbruchspannung aufweisenden Halbleiter­ bauelements, bei dem eine ausreichend hohe Durchbruch­ spannung auch mit einer dünnen hochohmigen Halbleiter­ schicht erzielbar und bei dem die Elementtrennung ein­ fach realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement mit hoher Durchbruchspannung nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil enthaltenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 12.
Wenn die dritte Halbleiterzone den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, können die erste und die fünfte Halbleiterzone vom ersten bzw. zweiten Leitfähigkeitstyp sein. Wenn dabei eine Vorspannung in Sperrichtung (im folgenden als Sperrvorspannung bezeichnet) zwischen die zweite und vierte Halbleiterzone an­ gelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der fünften Halbleiterzone unter der zweiten Halbleiterzone in Aufwärts- und Seiten- bzw. Querrichtung.
Weiterhin können die erste und die fünfte Halbleiterzone vom zwei­ ten bzw. ersten Leitfähigkeitstyp sein. Wenn dabei eine Sperrvorspannung zwischen zweiter und vierter Halbleiter­ zone angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der zweiten Halbleiterzone abwärts und von einem Um­ fangsabschnitt der fünften Halbleiterzone in Querrichtung.
Darüber hinaus können sowohl die erste als auch die fünfte Halblei­ terzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp sein. In diesem Fall muß die erste Halbleiterzone eine niedrigere Fremdatomkonzentration als die fünfte Halbleiterzone aufweisen. Wenn bei einer solchen Anordnung eine Sperrvor­ spannung zwischen zweiter und vierter Halbleiterzone an­ gelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der zweiten Halbleiterzone abwärts, bis sie die fünfte Halbleiterzone erreicht, um sich dann seitlich durch die fünfte Halbleiterzone auszudehnen.
Wenn beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement eine Sperr­ vorspannung zwischen zweiter und vierter Halbleiterzone an­ gelegt wird, erstreckt sich die Verarmungsschicht in die erste, dritte und fünfte Halbleiterzone. Die Gesamt-Fremd­ atommenge pro Flächeneinheit in der dritten und fünften Halb­ leiterzone ist so eingestellt, daß sie in einem Bereich, in welchem die dritte und fünfte Halbleiterzone - von oben gesehen - einander überlappen, im wesentlichen jeweils gleich ist. Wenn dabei die Gesamt-Fremdatommenge (Dotierung) jeder Schicht auf 0,1-3×10¹²/cm² eingestellt ist, werden die dritte und fünfte Halbleiterzone gleichzeitig verarmt. Dabei wird die zwischen zweiter und vierter Halbleiterzone angelegte Spannung durch die voll­ ständig verarmten ersten, dritten und fünften Halbleiter­ zonen in lotrechter und seitlicher Richtung aufgeteilt. Im Gegensatz zur bisherigen Anordnung, bei welcher der größte Teil der angelegten Spannung eine Vorspannung in lotrechter Richtung der ersten Halbleiterzone bewirkt, kann auch dann, wenn die erste Halbleiterzone dünn ist, das maximale elektrische Feld unter eine Größe unterdrückt werden, bei der ein Lawinendurchbruch auftritt.
Wenn die fünfte Halbleiterzone nicht vollständig verarmt ist, unterscheidet sich das Halbleiterbauelement nicht wesent­ lich vom bisherigen Halbleiterbauelement nach Fig. 1, auch wenn die erste und dritte Halbleiterzone vollständig verarmt sind. Daher ist die niedrigdotierte fünfte Halbleiterzone in den Bodenbereich der ersten Halbleiterzone eingefügt, so daß bei Anlegen einer Sperrvorspannung, wie beschrie­ ben, die dritte und fünfte Halbleiterzone gleichzeitig ver­ armt werden. Damit kann ein Bauelement mit einer dielektrischen Trennstruktur bezüglich der Durch­ bruchspannung verbessert werden. Wenn jedoch nur eine eben­ so hohe Durchbruchspannung wie beim herkömmlichen Halbleiterbauelement verlangt wird, kann die Dicke der ersten Halbleiterzone verringert werden, wodurch die Elementtrennung verein­ facht wird.
Bei der oben umrissenen Ausführungsform ist die Fremdatom­ konzentration in der fünften Halbleiterzone auf einen nied­ rigen Wert herabgesetzt, um damit eine vollständige Verar­ mung in der fünften Halbleiterzone im Betrieb des Transistors zu erreichen. Es ist jedoch möglich, die Fremdatomkonzen­ tration der fünften Halbleiterzone bis zu einem gewissen Grad zu erhöhen. Dabei ist allerdings die Durchbruchspannung niedriger als dann, wenn die Fremdatomkonzentration der fünften Halbleiterzone niedriger ist. Die Konstruktion wird jedoch vereinfacht, weil das Potential des Substrats durch die fünfte Halbleiterzone abgeschirmt ist. In diesem Fall wird zweckmäßig die Dosis einer Ionenimplantation in die fünfte Halbleiterzone auf 5×10¹³ bis 5×10¹⁴/cm² eingestellt. Wenn diese Dosis zu niedrig ist, wird die fünfte Halbleiterzone im Betrieb des Transistors vollständig ver­ armt, so daß sie das Potential des Substrats nicht voll ab­ zuschirmen vermag. Wenn dagegen die Dosis zu hoch ist, wird die fünfte Halbleiterzone übermäßig dick. In die­ sem Fall muß zur Erzielung einer hohen Durchbruchspannung eine tiefe Rille für Trennung ausgebildet werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Diode mit einer herkömm­ lichen dielektrischen Trennstruktur,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Diode gemäß einer Aus­ führungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Diode gemäß einer ande­ ren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine Schnittansicht einer durch Umkehrung des Leitfähigkeitstyps jeder Zone der Diode erzielten Abwandlung der Diode nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Abwandlung einer Diode mit einer von Fig. 3 verschiedenen dielektrischen Trennstruktur,
Fig. 6 eine Schnittansicht eines p-Kanal-MOS-Transistors gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Er­ findung,
Fig. 7 eine Schnittansicht eines n-Kanal-MOS-Transistors gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Er­ findung,
Fig. 8 und 9 Schnittansichten von Abwandlungen der Dioden nach den Fig. 3 und 4,
Fig. 10 und 11 Schnittansichten von Abwandlungen von Dioden, realisiert durch Ausführung einer pn- Übergangstrennung als Elementtrennung in Seiten- oder Querrichtung,
Fig. 12 eine Schnittansicht einer abgewandelten Diode mit geteilter Anodenstruktur,
Fig. 13 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Diode nach Fig. 3,
Fig. 14 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Diode nach Fig. 4,
Fig. 15 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Diode nach Fig. 5,
Fig. 16 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Diode nach Fig. 6,
Fig. 17 eine Schnittansicht einer Abwandlung eines Leit­ fähigkeitstypmodulations-MOSFETs, realisiert durch Änderung der Anordnung nach Fig. 16,
Fig. 18 eine Schnittansicht eines durch Abwandlung der Diode gemäß Fig. 7 erhaltenen n-Kanal-MOS- Transistors,
Fig. 19 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Diode nach Fig. 14 und
Fig. 20 eine Schnittansicht einer durch Umkehrung eines Leitfähigkeitstyps jedes Abschnitts der Diode realisierten Abwandlung einer Diode nach Fig. 19.
Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.
Fig. 2 veranschaulicht eine Hochspannungs-Diode bzw. eine eine hohe Durchbruchspannung aufweisende Diode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Anordnung nach Fig. 2 umfaßt ein durch Verbinden von p⁺- und p--Si-Substraten 1a bzw. 1b nach Direktverbindungstechnik erhaltenes Si-Plättchen 1 mit einer Verbindungs-Grenzfläche 3 und einem auf letzterer erzeugten Oxidfilm 2. Ein Teil des p--Si-Substrats 1b des Si-Plättchens 1 ist bis zu einer Tiefe an die Grenz­ fläche 3 heran unter Ausbildung einer Rille geätzt, so daß eine inselförmige p--Schicht 4 gebildet ist. Auf der einen Seitenfläche oder Flanke der Rille ist ein Oxidfilm 5 ausgebildet, wobei eine polykristalline Si-Schicht 6 in die Rille eingelassen ist. In einem mittleren Oberflä­ chenteil der p--Schicht 4, der durch die Oxidfilme 2 und 5 von den anderen Bereichen oder Zonen getrennt worden ist, ist eine n⁺-Schicht 8 erzeugt, um die herum eine n--Schicht 9 ausgebildet ist, so daß die Anordnung eine Diode bildet. Weiterhin ist in einem Umfangsflächenbereich der p--Schicht 4 unter Ausbildung einer Anodenelektrode eine p⁺-Schicht 10 erzeugt. Darüber hinaus sind längs der Oxidfilme 2 und 5 p⁺-Schichten 7a und 7b so ausgebildet, daß sie die p--Schicht 4 umschließen.
Bei der beschriebenen Diode ist das Potential des Substrats 1a durch die p⁺-Schicht 7 abgeschirmt, wodurch die Kon­ struktion oder Ausbildung der Diode vereinfacht wird. Die p⁺-Schicht 7b kann den Einfluß von Kristallgitterdefekten um die Rille herum abschirmen. Die Fremdatomkonzentration der Schicht 7b sollte größer sein als bei der Schicht 7a.
Fig. 3 veranschaulicht eine Hochspannungs-Diode gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist mit 11 ein n⁺-Si-Substrat bezeichnet, auf dem eine inselförmige, hochohmige Si-Schicht 14 (erste Halbleiterzone) ausgebil­ det ist, welche gegenüber dem Substrat 11 durch einen Oxid­ film 12 und von den anderen Elementzonen in seitlicher oder Querrichtung durch einen Oxidfilm 13 getrennt bzw. iso­ liert ist. Die hochohmige Si-Schicht 14 ist von einem p--- oder einem n---Leitfähigkeitstyp mit einer ausrei­ chend niedrigen Fremdatomkonzentration (z. B. 1×10¹⁴/cm³). Eine polykristalline Si-Schicht 15 ist in eine Element­ trennzone eingefüllt. Eine n⁺-Schicht 16 (zweite Halb­ leiterzone) einer hohen Fremdatomkonzentration (von 1×10¹⁹/cm³), die als Kathodenzone dient, ist in einem zentralen Oberflächenabschnitt der hochohmigen Si-Schicht 14 ausgebildet. Eine als Schutzring zur Verhinderung eines Randdurchbruchs dienende n--Schicht 17 (dritte Halblei­ terzone) (Dotierung: 1×10¹²/cm²) ist durch Fremdatom­ diffusion um die n⁺-Schicht 16 herum und mit dieser kon­ tinuierlich bzw. an diese anschließend ausgebildet. P⁺- Schichten 18 und 19 (vierte Halbleiterzone) einer hohen Fremdatomkonzentration (von 1×10¹⁸/cm³) sind durch Fremd­ atomdiffusion in einem Umfangsabschnitt der p-- (bzw. n---)Schicht 14 zum Herausführen einer Anodenelektrode ausgebildet. Eine p--Schicht 20 (fünfte Halbleiterzone) einer niedrigen Fremdatomkonzentration (von 1×10¹²/cm²) und einer gerin­ gen Film- oder Schichtdicke (von etwa 3 µm) ist auf einem Bodenabschnitt der hochohmigen Si-Schicht 14 erzeugt. Die Gesamt-Fremdatommenge pro Flächeneinheit jeder p-- und n--Schichten 20 und 17 ist vorzugsweise auf 0,1 bis 3×10¹²/cm² eingestellt. Auf den p⁺- und n⁺-Schichten 18 bzw. 16 sind erste bzw. zweite Elektroden 21 bzw. 22 ausgebildet.
Für die Herstellung dieser Dioden wird das erste n⁺-Si- Substrat 11 nach Direktverbindungstechnik mit einem eine hochohmige Si-Schicht 14 aufweisenden hochohmigen Si-Sub­ strat verbunden. Zu diesem Zweck werden die Flächen der beiden Substrate auf Spiegelglanz poliert und dann in einer Reinluftatmosphäre zum Haften aneinander gebracht und hier­ auf nach einem vorbestimmten thermischen Verfahren (z. B. bei einer Temperatur von 1100°C) material­ einheitlich miteinander verbunden. In diesem Fall werden die p--Schicht 20 und der Oxidfilm 12 vor dem Verbinden auf der Oberfläche des hochohmigen Si-Substrats ausgebildet, wodurch die hochohmige Si-Schicht 14 gebildet wird, die gegenüber dem Substrat 11 elektrisch isoliert ist und an ihrer Unterseite die p--Schicht 20 aufweist. Anschließend wird eine Element-Trennrille nach einem Naß- oder Trockenätz­ verfahren ausgebildet. Die p⁺-Schicht 19 wird durch Fremd­ atomdiffusion an der Seitenfläche der p---Schicht 14 er­ zeugt, die im vorhergehenden Vorgang in Form einer "Insel" (von den restlichen Elementen) getrennt worden ist. Eine Innenfläche der Rille wird unter Erzeugung eines Oxid­ films 13 oxidiert. Nach dem Ausfüllen der Rille mit der polykristallinen Si-Schicht 15 werden die n⁺-, n-- und p⁺-Schichten 16, 17 bzw. 18 durch Fremdatomdiffu­ sion erzeugt. Schließlich werden Elektroden 21 und 22 ausgebildet.
Wenn beim vorstehend beschriebenen Prozeß ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Substrats 11 erzeugt wird, kann sich das verbundene Plättchen verziehen oder verwerfen. Bevor­ zugt wird ein Oxidfilm nur auf dem hochohmigen Si-Substrat erzeugt.
Wenn bei der Diode mit dem beschriebenen Aufbau eine Sperr­ vorspannung zwischen erster und zweiter Elektrode 21 bzw. 22 angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht aus der im Mittelbereich der Oberfläche des Elements ge­ bildeten n⁺-Schicht 16 in lotrechter Richtung in die hoch­ ohmige Si-Schicht 14. Wenn die Dicke dieser Schicht 14 und die Fremdatomkonzentration der p--Schicht 20 mit zweckmäßigen Werten gewählt sind, kann bei der vollständigen Verarmung der Si-Schicht 14 deren größtes elektrisches Feld unter eine Größe vermindert werden, bei der ein Lawinendurch­ bruch auftritt, wobei anschließend die p--Schicht 20 auf dem Bodenabschnitt verarmt wird. Wenn diese Schicht 20 verarmt ist, wird das an der Elektrode 21 anliegende Poten­ tial nicht zu einem unmittelbar unter der Elektrode 22 ge­ legenen Abschnitt der p--Schicht 20 übertragen. Dabei wird insbesondere in der verarmten p--Schicht 20 in seitlicher Richtung oder Querrichtung eine Potentialdifferenz erzeugt, wobei die Spannung zwischen den Elektroden 21 und 22 in lotrechter Richtung der hochohmigen Si-Schicht 14 und in Querrichtung der p--Schicht 20 jeweils in Komponenten oder Anteile aufgeteilt wird. Mit anderen Worten: ein Teil der an das Element angelegten Spannung wird durch den Trenn­ oxidfilm 12 wirksam unterteilt. Mit die­ ser Anordnung erhält diese Diode eine ausreichend hohe Durchbruchspannung, auch wenn die Si-Schicht 14 eine vergleichsweise geringe Dicke aufweist. Durch Ver­ ringerung der Dicke der hochohmigen Si-Schicht 14 läßt sich außerdem die dielektrische Trennstruktur gemäß Fig. 3 einfach ausbilden.
Fig. 4 veranschaulicht eine Diode, die durch Umkehrung des Leitfähigkeitstyps eines jeden Dotierungsbereichs der Elementabschnitte gemäß Fig. 3 erhalten wurde.
Insbesondere wird dabei eine p⁺-Schicht 32 in einem zen­ tralen Oberflächenabschnitt einer hochohmigen Si-Schicht 31 erzeugt, die durch Oxidfilme 12 und 13 isoliert bzw. getrennt ist. Um die p⁺-Schicht 32 herum wird eine p-- Schicht 33 erzeugt. In einem Umfangsabschnitt der hoch­ ohmigen Si-Schicht 31 werden n⁺-Schichten 34 und 35 aus­ gebildet. Auf n⁺- und p⁺-Schichten 34 bzw. 32 werden zur Bildung einer Diode erste und zweite Elektroden 36 bzw. 37 geformt. Auf dem Bodenabschnitt der hochohmigen Si-Schicht 31, der mit dem Oxidfilm 12 in Berührung steht, ist eine n--Schicht 38 ausgebildet. Die Diode gemäß Fig. 4 besitzt dieselbe hohe Durchbruchspannung wie die vorher beschriebe­ ne Ausführungsform. Wenn in diesem Fall der Oxidfilm 12 ausreichend dick ausgebildet ist, kann ohne weiteres eine hohe Spannung über den Oxidfilm angelegt werden, so daß eine hohe Durchbruchspannung erreicht wird. Die Dicke des Oxidfilms 12 beträgt zweckmäßig 1 µm oder mehr, vorzugs­ weise 2 µm oder mehr.
Fig. 5 veranschaulicht eine Diode mit einer anderen dielek­ trischen Trennstruktur. Dabei wird eine durch einen Oxid­ film 42 getrennte hochohmige n--- oder p---Typ-Si-Schicht 43 auf einem Oberflächenabschnitt einer polykristallinen Si-Schicht 41 geformt. In einem zentralen Flächenabschnitt der Si-Schicht 43 wird eine p⁺-Schicht 44 ausgebildet, um welche herum eine p--Schicht 45 erzeugt wird, so daß eine Diode entsteht. In einem Umfangsoberflächenabschnitt der n-- Schicht 43 wird ein n⁺-Schicht 46 geformt. Auf den n⁺- und p⁺-Schichten 46 bzw. 44 werden jeweils erste und zweite Elektroden 49 bzw. 48 erzeugt. Weiterhin ist dabei in den Boden- und Seitenabschnitten der hochohmigen Si-schicht 32 eine den Oxidfilm 42 kontaktierende n--Schicht 47 aus­ gebildet.
Bei dieser Ausgestaltung kann durch Ausbildung der n-- Schicht 47 eine hohe Durchbruchspannung erreicht werden.
Wenn bei der Diode mit dem beschriebenen Aufbau eine Vorspannung in Sperrichtung zwischen erster und zweiter Elektrode 49 bzw. 48 angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht von der im zentralen Oberflächenabschnitt des Elements erzeug­ ten p⁺-Schicht 44 in lotrechter Richtung in die hochohmige Si-Schicht 43. Wenn die Verarmungsschicht die n--Schicht 47 erreicht, erstreckt sie sich durch letztere hindurch bis zur n⁺-Schicht 46.
Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Erfindung auf einen MOS-Transistor angewandt ist. Dabei ist auf einem Si-Substrat 51 eine hochohmige n---Si- Schicht 54 (erste Halbleiterzone) unter Trennung durch Oxidfilme 52 und 53 ausgebildet. Sodann wird eine poly­ kristalline Si-Schicht 64 unter Trennung durch den Oxid­ film 53 in eine in einem Isolier- oder Trennbereich aus­ gebildete Rille eingefüllt. Die Element-Trennstruktur die­ ses Transistors entspricht derjenigen gemäß Fig. 3. Eine p⁺-Schicht 55 (zweite Halbleiterzone) und eine als Drain­ zone dienende p--Schicht 56 werden in einem zentralen Oberflächenabschnitt der hochohmigen Si-Schicht 54 aus­ gebildet. Eine als Kanalzone dienende n-Schicht 57 (vierte Halbleiterzone) wird um die p--Schicht 56 herum erzeugt. In der n-Schicht 57 wird eine als Sourcezone dienende p⁺-Schicht 58 erzeugt. Erste und zweite Elektroden 62 bzw. 63, die als Source- bzw. Drainelektroden dienen, werden jeweils auf in einem Umfangsabschnitt der Si-Schicht 54 erzeugten p⁺- und n-Schichten 58 bzw. 57 geformt, und im Mittelbe­ reich der Schicht 54 wird eine p⁺-Schicht 55 erzeugt. Auf einem Oberflächenabschnitt der n-Schicht 57 zwischen den p⁺- und p--Schichten 58 bzw. 56 wird unter Zwischenfügung eines Gate-Isolierfilms 60 eine Gate-Elektrode 61 erzeugt. Auf einem Bodenabschnitt der hochohmigen Si-Schicht 54 wird eine den Oxidfilm 52 kontaktierende n--Schicht 59 (fünfte Halbleiterzone) ausgebildet.
Wenn beim MOS-Transitor gemäß dieser Ausführungsform eine Spannung, die niedriger ist als diejenige der als Source­ elektrode dienenden ersten Elektrode 62, an die als Drain­ elektrode dienende zweite Elektrode 63 angelegt wird, wird diese Spannung durch Verarmungsschichten aufgeteilt, von denen sich die eine von der p⁺-Schicht 55 im Mittelab­ schnitt des Elements in die hochohmige Si-Schicht 54 und die andere in seitlicher Richtung bzw. Querrichtung in die n--Schicht 59 erstreckt. Auf diese Weise kann bei der beschriebenen Ausführungsform ebenfalls eine hohe Durch­ bruchspannung erzielt werden.
Fig. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Erfindung auf einen n-Kanal-MOS-Transistor angewandt ist. Bei dieser Ausführungsform weist die hochohmige n--- Si-Schicht 54 (erste Halbleiterzone) dieselbe Element­ trennstruktur wie bei der Ausführungsform nach Fig. 6 auf. Eine als Kanalzone dienende p-Schicht 66 (zweite Halblei­ terzone) ist in einem Mittelbereich der Si-Schicht 54 aus­ gebildet. In einer p-Schicht 66 ist eine als Sourcezone dienende n⁺-Schicht 67 ausgebildet. Zwischen der n⁺-Schicht 67 in der p-Schicht 66 und der Si-Schicht 54 ist unter Zwischenfügung eines Gate-Isolierfilms 60 eine Gate-Elektro­ de 61 ausgebildet. In der Oberfläche der Si-Schicht 54 ist unter der Gate-Elektrode 61 eine p--Schicht 68 (dritte Halbleiterzone) so ausgebildet, daß sie von der p-Schicht 66 geringfügig getrennt ist. In einem Umfangsflächenab­ schnitt der Si-Schicht 54 sind als Drainzone dienende n⁺-Schichten 69 und 70 (vierte Halbleiterzone) ausgebil­ det. Auf der n⁺-Schicht 67 sowie den p- und n⁺-Schichten 66 bzw. 67 sind als Drain- bzw. Sourceelektroden dienen­ de erste und zweite Elektroden 71 bzw. 72 geformt. Ähn­ lich wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform, ist eine n--Schicht 59 (fünfte Halbleiterzone) in einem Bereich bzw. einer Zone ausgebildet, wo ein Abschnitt der hochohmigen Si-Schicht 54 den Oxidfilm 52 kontaktiert.
Dieser MOS-Transistor wird betrieben durch Anlegung einer positiven Drainspannung an die erste Elektrode 71 gegenüber der zweiten Elektrode 72. In einem Sperrzustand, in welchem die Gatespannung null beträgt oder negativ ist und in der p-Schicht 66 kein Kanal aus­ gebildet ist, kann eine von der p-Schicht 66 ausgehende Verarmungsschicht ohne weiteres die p--Schicht 68 erreichen. Obgleich letztere nicht unmittelbar mit der p-Schicht 66 in Kontakt steht, dient sie auf die vorher beschriebene Weise als Schutzring. Die Spannung zwischen Drain- und Sourceelektrode wird durch verarmte Si-Schichten 54 und 68 sowie die n--Schicht 59 in lotrechter und seitlicher Richtung aufgeteilt. Auf diese Weise kann eine hohe Durch­ bruchspannung erzielt werden.
Fig. 8 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 3. Dabei ist ein hochohmiger Film 80 mit einem Widerstand von z. B. 108 Ω oder mehr, z. B. ein halbiso­ lierender polykristalliner Si-Film (SIPOS), an der Grenz­ fläche zwischen p--Schicht 20 und Oxidfilm 12 beim Gebilde gemäß Fig. 3 angeordnet.
Ebenso veranschaulicht Fig. 9 eine Ausführungsform, bei der ein hochohmiger Film 80 an einer Grenzfläche zwischen der n-- Schicht 38 und dem Oxidfilm 12 bei der Anordnung gemäß Fig. 4 vorgesehen ist.
Durch Ausbildung des hochohmigen Films 80 auf diese Weise können die Einflüsse des Potentials am Substrat 11 ver­ mindert werden. Dies bedeutet, daß ein kleiner Strom durch den hochohmigen Film von der Hochpotentialseite zur Nie­ derpotentialseite unter Einführung eines Potentialgradi­ enten fließt, wodurch ein externes elektri­ sches Feld abgeschirmt wird. Da hierbei außerdem der Oxid­ film 12, das Substrat 11 und der hochohmige Film 80 einen Kondensator bilden, kann ein Teil der angelegten hohen Span­ nung zum Oxidfilm 12 gerichtet werden.
Fig. 10 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 4, bei welcher eine Elementtrennung in seitlicher Richtung durch eine pn-Übergangs-Trennstruktur erreicht wird. Wenn die hochohmige Si-Schicht 31 eine p---Schicht ist, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, wird die Ele­ menttrennung in seitlicher Richtung durch Ausbildung einer den Oxidfilm 12 erreichenden n⁺-Schicht 35 erreicht.
Fig. 11 veranschaulicht eine in seitlicher Richtung wirkenden pn-Übergangs-Trennstruktur, bei welcher die hochohmige Si-Schicht 31 eine n---Schicht ist. Gemäß Fig. 11 ist zwischen den Elementen eine p⁺-Schicht 101 für Trennung erforderlich. Um die p⁺-Schicht 101 ist eine p--Schicht 102 zur Verhinderung des Einwirkens eines elektrischen Felds ausgebildet. In Fig. 11 ist die den Oxidfilm 12 erreichende n⁺-Schicht 35 nicht unbedingt erforderlich. Wie bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 3 sowie anderen Ausführungsformen und Abwandlungen kann eine pn-Übergangsstruktur für Element­ trennung in Querrichtung angewandt werden. In diesem Fall werden die erfindungsgemäß gewährleisteten Vorteile eben­ falls erzielt.
Fig. 12 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungs­ form nach Fig. 4, bei welcher der Anodenabschnitt in eine Anzahl von Bereichen unterteilt ist. Mit dieser Ausgestaltung kann ein Anodenstrom gleichmäßig verteilt werden, wenn die Elementfläche groß ist. Bei die­ ser Ausgestaltung kann die hohe Durchbruchspannung durch Ausbildung der n--Schicht 38 auf dieselbe Weise wie in Fig. 4 erzielt werden.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Abwandlungen besitzen dritte und fünfte Halbleiterschicht einen zueinander entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Andererseits kann die fünfte Halbleiterschicht auch den­ selben Leitfähigkeitstyp wie die dritte Halbleiterschicht aufweisen. Entsprechende Abwandlungen werden später noch näher erläutert werden.
Fig. 13 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungs­ form nach Fig. 3, bei welcher eine hochohmige Si-Schicht 14 von einem p---Typ ist und eine an ihrem Bodenabschnitt aus­ zubildende niedrig dotierte Schicht eine n--Schicht 20′ darstellt. Bei dieser Anordnung ist wiederum die Gesamt-Fremdatommenge der n--Schicht 20′ auf 0,1 bis 3×10¹²/cm² eingestellt.
Bei dieser Abwandlung kann die Durchbruchspannung erhöht sein. Der Grund für die erhöhte Durchbruchspannung bei die­ ser Ausbildung läßt sich auf nachstehende Weise erläutern. Bei dieser Ausgestaltung sind p⁺-Schichten 18 und 19, eine n--Schicht 20′, eine hochohmige p---Si-Schicht 14 und eine n⁺-Schicht 16, d. h. eine p-n-p-n-Struktur zwischen Anode und Kathode ausgebildet. Wenn an das Element eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird, erstreckt sich eine Verarmungsschicht senk­ recht von der in einem Mittelbereich des Elements ausgebil­ deten n⁺-Schicht 16 in die hochohmige Si-Schicht 14, wäh­ rend sich gleichzeitig eine andere Verarmungsschicht von der p⁺-Schicht 18 in einem Umfangsflächenabschnitt der Si- Schicht 14 in seitlicher Richtung oder Querrichtung in die n--Schicht 20′ erstreckt. Infolgedessen wird die Spannung zwischen Anode und Kathode durch die jeweiligen Verarmungs­ schichten, die sich in die Si-Schicht 14 bzw. die n-- Schicht 20′ erstrecken, aufgeteilt, wodurch verhindert wird, daß ein hohes bzw. starkes elektrisches Feld nur auf die Si- Schicht 14 einwirkt.
Fig. 14 zeigt eine Abwandlung, bei welcher die Si-Schicht 31 vom n---Typ ist und eine an deren Bodenabschnitt vorzusehen­ de niedrig dotierte Schicht bei der Anordnung nach Fig. 4 eine p--Schicht 38′ ist.
Fig. 15 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 5, bei welcher die n--Schicht 47 durch eine p-- Schicht 47′ ersetzt ist.
Fig. 16 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 6, bei welcher die n--Schicht 59 durch eine p--Schicht 59′ ersetzt ist.
Fig. 17 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Ausbildung nach Fig. 16 geringfügig abgewandelt und eine p-n-p-n-Struktur zwischen Drain und Source geformt ist, so daß ein Leitfähigkeitsmodulations-MOSFET gebildet ist. Die p---Schicht 54a und die n--Schicht 59a können durch eine n--Schicht bzw. eine p-Schicht ersetzt sein. Bei dieser Ausgestaltung kann die n--Schicht 56a eine höhere Fremdatomkonzentration aufweisen als die n-Schicht 56b. Die Fremdatomdosis (cm-2) der n--Schicht 56a muß jedoch niedriger sein als diejenige der n-Schicht 56b.
Fig. 18 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungs­ form nach Fig. 7, bei welcher die n--Schicht 59 durch eine p--Schicht 59′ ersetzt ist.
Fig. 19 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 13, bei welcher die p---Schicht 14 und die n--Schicht 17 durch eine n---Schicht 84 bzw. eine p--Schicht 87 er­ setzt sind. Die p--Schicht 87 ist von der n⁺-Schicht 86 getrennt und neben einer p⁺-Schicht 88 angeordnet.
Fig. 20 veranschaulicht eine Abwandlung der Diode nach Fig. 19, bei welcher die Leitfähigkeitstypen der einzelnen Abschnitte der Diode jeweils umgekehrt sind.
Bei den Abwandlungen gemäß den Fig. 14 bis 20 kann die Durchbruchspannungscharakteristik ebenfalls verbessert sein.
Das Halbleiterbauelement mit einer dielektrischen Trenn­ struktur umfaßt also eine zweite Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps in einem Oberflächenabschnitt einer ersten Halbleiterschicht, die eine ausreichend nied­ rige Fremdatomkonzentration aufweist und durch einen Iso­ lierfilm getrennt ist, eine um die zweite Halbleiterschicht herum gebildete, niedrig dotierte dritte Halbleiter­ schicht des ersten Leitfähigkeitstyps und eine um die erste Halbleiterschicht herum ausgebildete, hoch dotierte vierte Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeits­ typs. Da bei diesem Halbleiterbauelement eine eine nied­ rige Fremdatomkonzentration aufweisende bzw. niedrig­ dotierte fünfte Halbleiterschicht auf einem Bodenab­ schnitt der ersten Halbleiterschicht in Kontakt mit einem Isolierfilm ausgebildet ist, kann ein Teil einer an das Element angelegten Vorspannung in Sperrichtung durch die dritte Halbleiterschicht zum trennenden Isolierfilm gerichtet werden. Infolgedessen kann eine ausreichend hohe Durch­ bruchspannung auch dann erzielt werden, wenn die erste Halbleiterschicht dünn ist. Da weiterhin die erste Halb­ leiterschicht eine geringe Dicke aufweisen kann, läßt sich eine dielektrische Trennstruktur einfach ausbilden.

Claims (12)

1. Halbleiterbauelement mit hoher Durchbruchspannung, umfassend
ein Halbleitersubstrat (11; 41; 51; 51a),
einen auf dem Substrat (11; 41; 51; 51a) erzeug­ ten ersten Isolierfilm (12; 42; 52; 52a),
eine auf dem ersten Isolierfilm (12; 42; 52; 52a) ausgebildete erste Halbleiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84),
eine zweite Halbleiterzone (16; 32; 44; 55; 66; 67; 55a) eines ersten Leitfähigkeitstyps, die eine höhere Fremdatomkonzentration als die erste Halb­ leiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) aufweist und selektiv in der dem Isolierfilm (12; 42; 52; 52a) gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Halbleiterzone ( 14; 31; 43; 54; 54a; 84) ausgebildet ist,
eine dritte Halbleiterzone (17; 33; 45; 56; 68; 56a), die eine niedrigere Fremdatomkonzentration als die zweite Halbleiterzone (16; 32; 44; 55; 66; 67; 55a) aufweist und in der dem Isolierfilm (12; 42; 52; 52a) gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Halb­ leiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) so ausgebildet ist, daß sie an der oder nahe der zweiten Halbleiter­ zone (16; 32; 44; 55; 66; 67; 55a) liegt, und
eine einen zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisende vierte Halbleiterzone (18; 34; 46; 57; 69; 58a), deren Fremdatomkonzentration höher ist als diejenige der ersten Halbleiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) und die in der dem Isolierfilm (12; 42; 52; 52a) gegenüber­ liegenden Oberfläche der ersten Halbleiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) so ausgebildet ist, daß sie außerhalb der dritten Halbleiterzone (17; 33; 45; 56; 68; 56a) liegt,
gekennzeichnet durch
eine fünfte Halbleiterzone (20; 38; 47; 59; 20′; 38′; 47′; 59′; 59a), die eine niedrigere Fremdatomkonzentration als die zweite oder die vierte Halbleiterzone (16, 18; 32, 34; 44, 46; 55, 57; 66, 67, 69; 55a, 58a) aufweist und die auf einem an den Isolierfilm (12; 42; 52; 52a) gren­ zenden Bodenabschnitt der ersten Halbleiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) ausgebildet ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Halbleiterzone (14; 31; 54a; 84) den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist und die fünfte Halbleiterzone (20; 38; 20′; 38′; 59a) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Halbleiterzone (14; 31; 54a; 84) den zweiten Leitfähigkeitstyp und die fünfte Halbleiterzone (20; 38; 20′; 38′; 59a) den ersten Leitfähigkeitstyp aufweisen.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und fünfte Halbleiterzone (14; 31; 43; 54; 20; 38; 47; 59; 47′; 59′) den zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen und die erste Halbleiter­ zone (14; 31; 43; 54) eine niedrigere Fremdatom­ konzentration als die fünfte Halbleiterzone (20; 38; 47; 59; 47′; 59′) aufweist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gesamt-Fremdatommenge pro Flächen­ einheit jeder der dritten und fünften Halbleiterzonen (17; 33; 45; 56; 68; 56a; 20; 38; 47; 59; 20′; 38′; 47′; 59′; 59a) jeweils 0,1-3×10¹²/cm² beträgt.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gesamt-Fremdatommenge pro Flä­ cheneinheit jeder der dritten und fünften Halblei­ terzonen (17; 33; 45; 56; 68; 56a; 20; 38; 47; 59; 20′; 38; 47′; 59′; 59a) jeweils 0,3-3×10¹²/cm² beträgt.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Isolierfilm (13; 53) für Ele­ menttrennung auf einer Seitenfläche der ersten Halb­ leiterzone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) ausgebildet ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein pn-Übergang für Elementtren­ nung an einer Seitenfläche der ersten Halbleiter­ zone (14; 31; 43; 54; 54a; 84) ausgebildet ist.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein hochohmiger Film (80) zwi­ schen dem ersten Isolierfilm (12) und der fünften Halbleiterzone (20, 38) ausgebildet ist.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der hochohmige Film (80) ein halbisolierender polykristalliner Film (SIPOS-Film) ist.
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat (1a) niederohmig ist und über den Isolierfilm (2) direkt mit einem die erste Halbleiterzone (4) aufweisenden hoch­ ohmigen Halbleitersubstrat (1b) verbunden ist, so daß das hochohmige Substrat mit dem niederohmigen Sub­ strat ein Verbund-Substrat bildet.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dosis einer Ionenimplantation in die fünfte Halbleiterzone (7a) 5×10¹³ bis 5×10¹⁴/cm² beträgt.
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