DE4201276C1

DE4201276C1 -

Info

Publication number: DE4201276C1
Application number: DE4201276A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 6000 Frankfurt De Wondrak; Raban Dipl.-Phys. 8752 Moembris De Held; Erhard Dr. 6082 Moerfelden-Walldorf De Stein; Horst Dr. 6000 Frankfurt De Neubrand
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-01-18
Filing date: 1992-01-18
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2012-01-19
Also published as: EP0760167A1; US5578859A; WO1993014522A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur mit einem oder mehreren lateralen, hoch sperrenden Halbleiterbauelementen in einer Halbleiteranordnung. Die Halbleiterstruktur besteht aus einem metallisierten Halbleitersubstrat, einer an das Halbleitersubstrat angrenzenden dielektrischen Schicht, einer über der dielektrischen Schicht angeordneten, homogen dotierten elektrischen Driftzone und aus stark dotierten Zonen der Halbleiterbauelemente, die in die Driftzone von der Oberfläche des Halbleiters her eingelassen und elektrisch kontaktiert sind.

Eine derartige Halbleiterstruktur ist aus dem Aufsatz "Extension of RESURF Principle to Dielectrically Isolated Power Devices" des Konferenzbereiches Conf. Report. ISPSD 1991, Baltimore, Seiten 27 bis 30, bekannt. Hierbei handelt es sich um die typische Struktur einer lateralen Diode auf einem dielektrisch isolierten Substrat. Derartige Strukturen, die dem allgemeinen Begriff "smart power technology" zuzuordnen sind, stellen ein Bindeglied zwischen digitalen Steuerungen und Leistungsbauelementen dar. Diese Technologie ermöglicht die Integration von Logik-, Schutz- und Diagnosefunktionen in Leistungsbauelementen.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der angesprochenen Technologie besteht darin, auf einem sogenannten Halbleiterwafer, der im folgenden nur als Halbleiter bezeichnet werden soll, mehrere Leistungsbauelemente zu integrieren, wobei die einzelnen Bauelemente gegeneinander vollständig isoliert sind.

Diese Isolation ist so durchzuführen, daß das jeweilige Bauelement nach allen Seiten hin gegenüber den übrigen angrenzenden Halbleiterbereichen elektrisch isoliert ist. Die seitliche Isolation erfolgt in der Regel in der Weise, daß Gräben um das Bauelement geätzt werden, die anschließend mit einem Dielektrikum ausgefüllt werden. Die dielektrische Isolation parallel zur Oberfläche des Halbleiters, also in lateraler Richtung, erfolgt entweder durch die Bildung eines in Sperrichtung belasteten pn- Übergangs oder durch Verwendung eines Dielektrikums, wie z. B. Siliciumoxid. Die Tendenz geht eindeutig zur dielektrischen Isolation hin, da bei dieser Technologie parasitäre Elemente vermieden werden und unter anderem auch ein einfacheres Design bei erhöhter Störsicherheit möglich ist. Die erreichten maximalen Sperrspannungen bzw. Durchbruchspannungen der Bauelemente werden in erster Linie durch die Isolationsfähigkeit des "vergrabenen Dielektrikums" bestimmt und zum anderen durch die Oberflächeneigenschaften in den Oberflächenbereichen, in denen die pn-Übergänge an die Oberfläche treten. Zur Vermeidung eines Oberflächendurchbruchs werden unter anderem sogenannte Feldplatten im Bereich der pn-Übergänge an der Oberfläche eingesetzt.

Andererseits wird die Durchbruchsspannung hauptsächlich dadurch begrenzt, daß die gesamte Spannung zwischen dem in der Regel geerdeten Substrat und den auf hohem Potential liegenden, hochdotierten Bereichen der Halbleiterbauelemente aufgebaut wird, was zu hohen Feldstärken führt. Einerseits führt die Erhöhung der Dicke der Driftzone zur Erhöhung der Durchbruchsspannung zu erheblichen Schwierigkeiten, da mit zunehmender Dicke der Aufwand für die seitliche Isolation durch Trennätzen und anschließender Auffüllung mit Isolationsmaterial schwierig wird. Andererseits kann zur Erzielung hoher Durchbruchsspannungen die Dicke des vergrabenen Dielektrikums nicht beliebig groß gemacht werden, da sonst wegen der zu geringen Wärmeleitfähigkeit eine unzureichende Abführung der Verlustleistung in Kauf genommen werden muß, was allgemein zu thermischen Problemen beim Betrieb der Bauelemente führt. Bei Verwendung von Siliciumoxidschichten haben sich Dicken der dielektrischen Schicht im Bereich von 0,5 bis 4,5 µm als noch brauchbar erwiesen.

Zur Erzielung höherer Durchbruchspannungen für laterale, dielektrisch isolierte Bauelemente in Halbleitern aus Silicium mit einer Dicke der Driftzone unter 30 µm wurden verschiedene Maßnahmen diskutiert, wie z. B. lateral vergrabene Dotierungen an der Grenzfläche zu der dielektrischen Schicht oder zusätzliche Diffusionsgebiete im Substrat, die mit den dielektrisch isolierten Bauelementen verbunden sein können. Die bekannten Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß sie technisch nur sehr schwer zu realisieren sind und andererseits wiederum die ansonsten gute dielektrische Isolation stark beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs definierte Halbleiterstruktur derart weiterzubilden, daß integrierte, dielektrisch isolierte Halbleiterbauelemente auf einfache Weise für hohe Sperrspannungen, insbesondere über 400 V, hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich mindestens die Zonen der Halbleiterstruktur, die bei funktionsgemäßer Betriebsweise der Halbleiterbauelemente auf hohem Potential liegen können, bis zu der dielektrischen Schicht erstrecken.

Auf diese Weise wird der gesamte Spannungsabfall praktisch zu der dielektrischen Schicht hin verschoben. Es ist besonders vorteilhaft, die Dotierungskonzentration der Driftzone so zu wählen, daß das Produkt aus dieser Dotierungskonzentration und der Dicke der Driftzone im Bereich von 10¹² bis 2×10¹² cm^-2 liegt, wodurch eine erhöhte Durchbruchspannung bei relativ geringer Dicke der Driftzone und geringem technischen Aufwand erreicht werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, die Driftzone in vertikal verlaufende, voneinander getrennte hoch dotierte Teilzonen zu unterteilen. Auf diese Weise wird zusätzlich das elektrische Feld lateral ausgedehnt und damit das Feldstärkenmaximum weiter reduziert.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine bekannte Halbleiterstruktur mit einer lateral angeordneten Diode;

Fig. 2 eine Halbleiterstruktur mit einer Diode gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine Abwandlung der Halbleiterstruktur nach Fig. 2.

Bei der bekannten Halbleiterstruktur gemäß Fig. 1 besteht die Halbleiteranordnung 1 aus Silicium aus einem n⁺-leitenden Halbleitersubstrat 2, einer auf dem Halbleitersubstrat angeordneten dielektrischen Schicht 3 und einer z. B. p^-- leitenden Driftzone 4 über der dielektrischen Schicht 3. In die niedrigdotierte Driftzone sind zwei hochdotierte Zonen, nämlich die p⁺- leitende Zone 5 und die n⁺-leitende Zone 6 eindiffundiert. Diese beiden Zonen bilden die Anode und Kathode der Diode. Der Anodenbereich 5 ist mit einer Metallisierung 7 für den Anodenkontakt und der Kathodenbereich 6 mit einer Metallisierung 8 für den Kathodenbereich versehen. Zwischen dem Anodenkontakt 7 und dem Kathodenkontakt 8 ist lateral auf der Oberfläche der Halbleiteranordnung 1 eine Isolierschicht 9 so weit herübergezogen, daß sie zumindest den Bereich, in dem die pn-Übergänge an die Oberfläche treten, überdecken und als Feldplatten 10 und 10′ die Feldstärke an der Oberfläche herabsetzen und damit den Oberflächendurchbruch vermindern. Das Halbleitersubstrat 2 ist mit einer Metallisierung versehen, die in der Regel auf Erdpotential liegt. Da Anode oder Kathode in der Regel auf hohem Potential liegen, entsteht ein Potentialabfall in vertikaler Richtung von den hochdotierten Bereichen zu der Metallisierung hin, wobei der Hauptpotentialabfall in der Driftzone und an dem Dielektrikum auftritt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die Durchbruchspannung mit zunehmender Dicke der Driftzone und mit größerer Dicke der dielektrischen Schicht vergrößert werden kann, was jedoch aus den bereits erwähnten Gründen nachteilig ist.

In Fig. 2 ist eine Halbleiterstruktur gemäß der Erfindung dargestellt, wobei ebenso wie bei Fig. 1 eine Diode integriert ist. In den Darstellungen der Fig. 1 und 2 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 2 besteht der Halbleiterkörper 1 ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 aus einem Halbleitersubstrat 2, das sowohl p- als auch n-leitend sein kann, mit einer Metallisierung 7, einer dielektrischen Schicht 3 und einer Driftzone 4.

In die Driftzone sind zwei hochdotierte, p⁺-leitende und n⁺-leitende Zonen 5 und 6 eindiffundiert, wobei die Diffusionsgrenze bis zu der dielektrischen Schicht 3 reicht. Damit liegt der Spannungsabfall praktisch vollständig an der dielektrischen Schicht, so daß die Dicke der Driftzone gegenüber den bekannten Bauelementen relativ klein gewählt werden kann.

Die Dicke der dielektrischen Schicht liegt vorteilhaft im Bereich von 1 bis 4 µm, während die Dicke der Driftzone 4 zwischen 1 und 30 µm gewählt werden kann. Zur Erzielung einer maximalen Durchbruchspannung soll das Produkt aus der Dicke der Driftzone 4 und der Dotierungskonzentration in der Driftzone im Bereich von 10¹² bis 2×10¹² cm^-2 liegen. Geringere Dotierungen bewirken einen geringen Abfall der Durchbruchspannung, jedoch führen deutlich höhere Dotierungen zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der Durchbruchspannung.

Zwischen den Metallisierungen 5 und 6 im Anoden- und Kathodenbereich ist wiederum eine Isolierschicht 9 vorgesehen. Auf dieser Isolierschicht 9 ist eine Widerstandsschicht 11 angeordnet, die vorzugsweise aus mit Sauerstoff dotiertem Silicium besteht. Diese Widerstandsschicht 11 ist an ihren Enden jeweils mit dem Anoden- und dem Kathodenkontakt verbunden, so daß in lateraler Richtung über der Widerstandsschicht ein Potentialabfall ansteht. Auf diese Weise wird eine lineare Potentialverteilung auf der Oberfläche der Halbleiteranordnung 1 und damit eine Reduzierung der Durchbruchspannung im Bereich der an die Oberfläche tretenden pn-Übergänge vermindert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in der Driftzone 4 von der Isolierschicht 9 vertikal abwärts verlaufende Bereiche 12 vorgesehen, die bis zur dielektrischen Schicht 3 reichen. Bei dieser Ausführungsform wird nicht nur der vertikale Spannungsabfall vollständig auf die dielektrische Schicht 3 verschoben, sondern das laterale elektrische Feld verteilt sich etwa gleichmäßig über die Länge der dielektrischen Schicht 3 und reduziert somit das Feldstärkenmaximum.

Claims

1. Halbleiterstruktur mit einem oder mehrere lateralen, hoch sperrenden Halbleiterbauelementen in einer Halbleiteranordnung, bestehend aus einem metallisierten Halbleitersubstrat, einer an das Halbleitersubstrat angrenzenden dielektrischen Schicht, einer über der dielektrischen Schicht angeordneten, homogen dotierten Driftzone und aus stark dotierten Zonen der Halbleiterbauelemente, die in die Driftzone eingelassen und elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens die Zonen (5, 6) der Halbleiterbauelemente, die bei funktionsgemäßer Betriebsweise der Halbleiterbauelemente eine hohe Potentialdifferenz gegenüber dem Substrat aufweisen können, bis zu der dielektrischen Schicht (3) erstrecken.

2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bis zu der dielektrischen Schicht (3) erstreckenden Zonen (5, 6) durch Eindiffusion von Störstellen hergestellt sind.

3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung (1) aus Silicium besteht.

4. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Dicke und der Dotierungskonzentration der Driftzone (4) im Bereich von 10×10¹² bis 2×10¹² cm^-2 liegt.

5. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftzone (4) in vertikal verlaufende, voneinander getrennte hoch dotierte Teilzonen (12) unterteilt ist.

6. Halbleiterstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilzonen (12) von der Oberfläche der Halbleiteranordnung (1) bis zu der dielektrischen Schicht (3) erstrecken.

7. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dielektrischen Schicht (3) 1 bis 4 µm beträgt.

8. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftzone (4) eine Dicke im Bereich von 1 bis 30 µm aufweist.

9. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (3) aus Siliciumoxid besteht.

10. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in dem Bereich, in dem jeweils ein pn-Übergang an die Oberfläche der Halbleiteranordnung (1) tritt, eine Feldplatte gegenüber der Oberfläche isoliert angeordnet ist und auf einem vorbestimmten Potential liegt.

11. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in dem Bereich zwischen zwei an die Oberfläche tretenden pn-Übergängen eine Widerstandsschicht (11) gegenüber der Oberfläche isoliert angeordnet ist und an ihren beiden lateralen Enden auf jeweils einem vorbestimmten Potential liegt.

12. Halbleiterstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (11) aus mit Sauerstoff dotiertem Silicium besteht.

13. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation (9) zur Oberfläche der Halbleiteranordnung (1) durch eine Siliciumoxidschicht gebildet ist.