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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine monolithische Halbleiteranordnung mit einer Randstruktur und
ein Verfahren zum Herstellen dieser Struktur.
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In integrierten Schaltungen, bei
denen ein Leistungsglied und eine Logiksteuerung auf demselben Chip
integriert sind, besteht das Bedürfnis
innerhalb der Steuerregion (linearen Region) eine Teilung der Substratspannung
vorzusehen, zum Beispiel um eine Energieversorgung von dieser Spannung
zu erhalten.
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Der für diesen Zweck verwendete Spannungsteiler
wird mittels eines Widerstands bereitgestellt, der zwischen dem
Substrat und dem Steuerabschnitt bereitgestellt ist. Falls das Gerät bei mittleren oder
niedrigen Substratspannungen arbeitet, lässt sich der Teiler leicht
bereitstellen, da entweder Randstrukturen nicht benötigt werden
oder glatte Abschlussstrukturen benötigt werden.
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Das Problem tritt vielmehr auf, wenn
das Gerät
bei hohen Substratspannungen (>600V)
arbeitet, und es ist daher unabdingbar, als Rand einen Ring mit
einem hohen Widerstand zu verwenden, der die gesamte Anordnung umgibt.
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1 zeigt
die zugehörigen
Probleme. Diese Figur zeigt eine P-Typ Region, welche einen Widerstand,
die Steuerregion mit ihrer Randstruktur und den Äquipotenzialring bereitstellt,
der auf dem Potenzial des Substrats liegt.
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Die Randstruktur der Steuerregion
wird mittels eines P-Typ Rings bereitgestellt, der im Kontakt mit
der Isolationsregion zwischen der linearen Region und der Leistungsregion
steht.
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Da der Hochspannungswiderstand vom
selben Typ ist wie der Rand (P-Typ), tritt das Problem des Durchtritts
durch diesen Rand ohne Veränderung der
Eigenschaften dieses Teilers auf. Dies liegt daran, dass im elektrischen
Sinne das Kreuzen des Randes äquivalent
ist zum Anordnen eines Widerstandes zwischen dem Ende des Hochspannungswiderstandes
und Masse (da der Rand üblicherweise
auf Masse vorgespannt ist).
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2 zeigt
diese Problem in dem Fall, indem man versucht, eine Energieversorgung
von der Substratspannung zu erhalten. Diese Figur zeigt, dass die
Spannung am Knoten A nicht von der Spannung über der Zenerdiode erzeugt
wird, sondern durch eine Teilung der Spannung zwischen dem Hochspannungswiderstand
und dem Randwiderstand, und dies ist nicht wünschenswert.
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Um eine Beeinflussung des Wertes
der Spannung am Knoten A zu vermeiden, sollte der Randring einen
extrem hohen Widerstand haben, was durch Einwirken auf die Dotierung
des Rings erreicht wird, um Stromverluste zu vermeiden, jedoch ist
dies nicht möglich,
da sein Wert den Betrag der Verarmung der ringförmigen Region und daher seines
Betriebs bestimmt. Es gibt daher zwei deutlich entgegengesetzte
Anforderungen: einen sehr hohen Widerstand des Rings bereitzustellen,
ohne dabei das Dotierungsniveau des Rings zu verändern.
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In Planartechnologie hergestellte
Anschlüsse
bzw. Übergänge bzw.
Sperrschichten haben unter rückwärts vorgespannten
Bedingungen eine unterschiedliche Verteilung des elektrischen Feldes
zwischen der Hauptregion und der Randregion. In dieser letzten Region
kann das elektrische Feld bei einer Vorspannung erreicht werden,
welche niedriger ist als die Durchschlagsspannung im Hauptteil.
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Verschiedene technologische Lösungen wurden
verwendet, um den hohen Wert des elektrischen Feldes in der Randregion
zu reduzieren, wobei alle den Zweck verfolgen, die Verarmung in
der dotierten Region auf geeignete Weise zu steuern, welche benachbart
zu dem Anschluss bzw. Übergang bzw.
der Sperrschicht liegt, der bzw. die zu schützen ist, um auf diese Weise
zu verhindern, dass lokales Anwachsen des elektrischen Feldes frühzeitige Durchschläge im Hinblick
auf den Durchschlag in dem flachen Anschluss bzw. Übergang
bzw. der flachen Sperrschicht verursacht.
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Die verschiedenen Lösungen schließen sog. Feldplatten
ein, die, falls sie in geeigneter Weise über der Randregion in ihrer
Größe festgelegt
sind, es erlauben, die Verarbeitungsregion graduell von dem Hauptteil
der Anordnung in Richtung der Oberflächenregionen zu leiten. Biplanare
und triplanare Strukturen können
die Erweiterung der Verarmungsregion verbessern.
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Andere Verfahren zum Führen der
Verarmungsregion verwenden Ringe mit hohen Widerständen, die
in Kontakt mit dem Hauptanschluss bzw. Hauptübergang bzw. der Hauptsperrschicht,
der bzw. die zu schützen
ist, anzuordnen sind, um die Verarmungsregion zu zwingen, sich über weitere
Regionen zu erstrecken und damit eine räumliche Ladungsverteilung auszuweiten.
Diese Strukturen wurden für
Anordnungen notwendig, welche hohen Spannungen widerstehen müssen, wo
eine Mehrzahl von Ringen, die mit ansteigendem Widerstand angeordnet
sind, für
diesen Zweck verwendet werden können.
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In monolithischen Halbleiteranordnungen kann
die Isolation der Komponenten, welche die Treiberschaltungen bilden,
und der Leistungskomponenten mit dem Verfahren der Isolation von
Anschlüssen, Übergängen bzw.
Sperrschichten bereitgestellt werden. Die Isolationsregion begrenzt
und isoliert die Vertiefungen (Wells) zum Aufnehmen der Nieder- und
Hochspannungskomponenten.
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Für
integrierte Strukturen, welche hohe Substratspannungen aushalten
müssen,
ist die Randstruktur in einer Position vorgesehen, welche benachbart
zu der äußeren Isolationsregion
liegt. Die Abschlussregion umgibt die Isolationsregion und begrenzt
die gesamte Struktur, innerhalb derer die Nieder- und Hochspannungskomponenten
integriert sind.
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Die Erzeugung eines Hochspannungswiderstandes
verursacht die Belegung eines großen Siliziumbereichs, da, um
die oben genannten Nachteile zu vermeiden, es notwendig ist, den
für die
Terminierung verwendeten Widerstand außerhalb der P-Region abzuschließen. Dies
erfordert die Bereitstellung eines Randes, der demjenigen entspricht,
der verwendet wird, um die Anordnung abzuschließen, und die zwei Terminierungen
müssen
derart beabstandet sein, um eine elektrische Isolation bei der Betriebesspannung
sicherzustellen, Ferner muss die Verbindung zwischen dem Widerstand
und der Steuerregion mittels einer Feldplatte durchgeführt werden,
die durch eine Hochspannungsepitaxialregion hindurchführt. Eine
spannungswiderstehende Fähigkeit
wird daher durch die Dicke des zugrunde liegenden Oxids bestimmt.
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Ein weiterer durch die Verwendung
des P-Typ Randringes verursachter Nachteil ist, dass ein Widerstand
zwischen die P-Typ Region, welche die Steuerregion bereitstellt,
und die P-Typ Region, welche die Basis des Leistungsgliedes bereitstellt,
angeordnet wird. Mit anderen Worten wird, da die Isolationsregion
normalerweise mit Masse verbunden ist, ein Widerstand zwischen der
Basis des Leistungsgliedes und Masse angeordnet mit einem daraus
folgenden Stromverlust. Dieser Nachteil ist in 5 gezeigt.
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US-A-4 567 502 offenbart eine Halbleiteranordnung
des Planartyps mit einer hohen Durchschlagsspanung, bei der die
Randregion aus fließenden
Ringen hergestellt ist, um die Anordnung bei hohen Spannungen zu
schützen.
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EP-A-307032 offenbart einen Herstellungsprozess
für eine
monolithische Halbleiteranordnung mit mehrfachem Epitaxialschichten
mit einer niedrigen Konzentration an Störstellen, wobei jedoch die Randregion
nicht von Kanälen
beeinflusst wird und ein Spannungsteiler nicht integriert ist, während die elektrischen
Eigenschaften in der Randregion erhalten bleiben.
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EP-A-632503 offenbart eine integrierte Randstruktur
für Hochspannungshalbleiteranordnungen,
bei denen kein Spannungsteiler integriert ist, während die elektrischen Eigenschaften
in der Randregion der Anordnung erhalten bleiben.
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Die Hauptaufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es daher, eine monolithische Halbleiteranordnung mit
einer Randstruktur bereitzustellen, welche es erlaubt, die Substratspannung
auch in Fällen von
hohen Betriebsspannungen zu teilen.
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Innerhalb dieser Aufgabe ist es ein
Ziel der vorliegenden Erfindung, eine monolithische Halbleiteranordnung
mit einer Randstruktur bereitzustellen, welche es ermög licht,
dem Randring einen unendlichen Widerstand zu geben, ohne die Dotierung
des Ringes zu beeinflussen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, eine monolithische Halbleiteranordnung mit einer
Randstruktur bereitzustellen, welche es erlaubt, den Siliziumbelegungsbereich
zu reduzieren.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, eine monolithische Halbleiteranordnung mit einer
Randstruktur bereitzustellen, welche es ermöglicht, Stromverluste zu eliminieren.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Randstruktur
gemäß der Erfindung
zum Integrieren von Niederspannung- und Hochspannungskomponenten
in monolithischen Halbleiteranordnungen bereitzustellen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, eine monolithische Halbleiteranordnung mit einer
Randstruktur und ein Verfahren zum Herstellen dieser Struktur bereitzustellen,
welche im hohen Maße
zuverlässig,
relativ leicht bereitzustellen und von wettbewerbsfähigen Kosten
ist.
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Diese und weitere Aufgaben und Ziele,
welche sich nachfolgend ergeben, werden durch eine monolithische
Halbleiteranordnung mit einer Randstruktur gemäß Anspruch 1 gelöst bzw.
erreicht.
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1 ist
eine Ansicht eines Spannungsteilers für eine monolithische Halbleiteranordnung
im Fall einer hohen Betriebsspannung, welche gemäß einem herkömmlichen
Verfahren ausgeführt
ist, welches im Fall einer mittleren bis niedrigen Betriebsspannung
verwendet wird;
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2 ist
ein elektrisches Diagramm der in 1 gezeigten
Ausführung,
welches auch für
die Lösung
gemäß der Erfindung
Anwendung findet;
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3 ist
eine Schnittansicht einer herkömmlichen
Lösung
für integrierte
Strukturen, welche hohen Substratspannungen widerstehen müssen;
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4 ist
eine Ansicht einer herkömmlichen Lösung für ein Leistungsglied,
welche einen ersten Nachteil derselben veranschaulicht;
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5 ist
eine Ansicht von oben der integrierten Anordnung gemäß der herkömmlichen
Lösung, welche
einen zweiten Nachteil veranschaulicht;
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6 ist
eine Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der monolithischen Halbleiteranordnung mit einer Randstruktur gemäß der Erfindung, wobei
deren schaltungsmäßige Ausführung der
in 2 gezeigten entspricht;
und
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7 ist
eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der monolithischen Halbleiteranordnung mit einer Randstruktur, welche
keinen Teil der beanspruchten Erfindung bildet.
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1 bis 5 zeigen herkömmliche
Anordnungen. Insbesondere zeigt 1 einen
Spannungsteiler, der durch Verbinden eines Hochspannungswiderstandes 4 zwischen
einer Steuerregion, die mit einer Kante 2 versehen ist,
und einem Äquipotenzialring 5 ausgeführt ist,
welcher auf demselben Potenzial wie das Substrat liegt.
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2 ist
eine Ansicht des in 1 gezeigten Schaltungsausführungsbeispiels,
falls eine Versorgungsspannung von dem Substrat der Anordnung mittels
einer Spannungsteilung gezogen wird. In dieser Figur bezeichnet
Bezugsziffer 4 den Hochspannungswiderstand, Bezugsziffer 102 bezeichnet
den Randwiderstand, 103 bezeichnet die Zenerdiode, 104 bezeichnet
den Substratspannungsteiler und 105 bezeichnet die Verbindung mit
dem Substrat. Um eine Beeinflussung des Wertes der Spannung am Knoten
A zu vermeiden, sollte der Kantenwiderstand 102 einen extrem
hohen Widerstand haben, jedoch steht dies im Gegensatz zu der Förderung,
eine Änderung
des Dotierungsniveaus zu vermeiden, welches die Betriebsweise der
Anordnung bestimmt.
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3 ist
eine Ansicht einer integrierten Struktur, die ausgelegt ist, um
hohen Substratspannungen zu widerstehen. In diesem Fall wird die Randregion 2 mit
der P-Typ Steuerregion 1 verbunden.
Die Bezugsziffer 3 bezeichnet wiederum eine N-Typ Region,
die den Kollektor eines Leistungsgliedes bereitstellt.
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4 ist
eine Ansicht der notwendigen Verbindung gemäß einer herkömmlichen
Lösung
zwischen dem Hochspannungswiderstand 4 und der linearen
Region 1, welche mittels einer Feldplatte 106 bereitgestellt
ist, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden; jedoch verursacht
dieses das Problem einer erheblichen Belegung der Siliziumfläche.
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5 zeigt
einen zuvor erläuterten
Nachteil, der bei der Verwendung des P-Typ Rings als Rand auftritt.
Dieser Nachteil besteht im Anordnen eines Widerstandes 101 zwischen
der P-Typ Linearregion 1 und der P-Typ Basisregion 7 des
Leistungsgliedes mit daraus resultierendem Stromverlust. Die Kantenregion
wird in dieser Figur durch die Bezugsziffer 2 bezeichnet.
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6 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung. In dieser Figur und in 7 werden
Elemente, welche mit den in den vorherigen Figuren gezeigten identisch
sind, mit gleichen Bezugsziffern versehen. In dieser Figur bezeichnet
Bezugsziffer 1 eine lineare Region, welche den Steuerabschnitt
der Anordnung bereitstellt, Bezugsziffer 3 bezeichnet eine
Region, welche den Kollektor des Leistungsgliedes bereitstellt,
welcher mit dem Substrat der Siliziumplatte übereinstimmt und bei dem das
Potenzial hohe Spannungswerte erreichen kann, und Bezugsziffer 2 bezeichnet
die Randregion.
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Der Hochspannungswiderstand 4 ist
in der Anordnung integriert, indem er in eine Uförmige Vertiefung 12 eindringt,
welche in der Steuerregion 1 gebildet ist. Diese Vertiefung
weist eine N-Typ Dotierung auf, da sie in derselben Substratregion 3 liegt. Auf
diese Weise ist es notwendig, auch einen Rand für den Anschlussteil des Widerstandes
zu erzeugen, wie anders in 4 dargestellt
ist.
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Das entgegengesetzte Ende des Hochspannungswiderstandes 4 ist
mit dem Äquipotenzialring 5 verbunden,
welcher auf demselben Potenzial wie das Substrat liegt.
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Die Kantenregion wird in zwei Punkte
unterteilt, welche zwei Kanäle 8 und 9 bilden,
um drei benachbarte Randregion 2, 2a und 2b zu
bilden. Die Randregion 2 und 2b (des P-Typs) liegen
auf demselben Potenzial wie die Steuerregion 1, da sie
weiterhin damit verbunden sind, während die Region 2a,
welche ebenfalls vom P-Typ ist, auf demselben Potenzial wie der
Hochspannungswiderstand 4 liegt, jedoch nicht mehr mit
Masse verbunden ist.
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Eine auf Masse vorgespannte Feldplatte 6 bedeckt
die N-Typ Region 3, welche zwischen den Region 1, 2a und 4 gebildet
ist, um deren spannungswiderstehende Fähigkeit sicherzustellen.
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Die Feldplatte 6 wird auch
an den Kanälen (Einschnitten) 8 und 9 angeordnet,
welche in der Kantenregion 2 (2, 2a und 2b)
gebildet sind, um ein Entrinnen von Feldlinien bei einem hohen Potenzial durch
die auf diese Weise gebildeten Schlitze zu vermeiden mit einem daraus
resultierenden Anwachsen des elektrischen Feldes an der Oberfläche und
der Möglichkeit
des Erreichens des kritischen Wertes.
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Die Einschnitte 8 und 9,
die in der Randregion gebildet sind, und auf diese Weise die Region 2, 2a und 2b bilden,
ermöglichen
es, einen elektrischen Durchgang zwischen den verschiedenen Regionen zu
vermeiden, wobei auf diese Weise die Regionen voneinander isoliert
werden, jedoch die Strukturfunktionalität erhalten bleibt.
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N-Typ Regionen, das heißt Regionen
mit der gleichen Dotierung wie die Region 3, sind innerhalb der
Einschnitte 8 und 9 vorgesehen.
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Schaltungsmäßig sind die zwei Einschnitte 8 und 9,
die in der Randregion gebildet sind, äquivalent dazu, dass der in 2 gezeigte Randwiderstand
einen unendlichen Wert erhält,
jedoch ohne Modifizierung der Dotierung dieses Randes.
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7 ist
eine Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,
das nicht Teil der beanspruchten Erfindung bildet, welches derart
ausgelegt ist, um den oben genannten Nachteil zu überwinden,
welcher sich auf die Verwendung des P-Typ Randringes bezieht. Die
Verwendung verursacht in der Tat den Nachteil des Anordnens eines
Widerstandes zwischen der P-Typ Region, welche die Steuerregion
bereitstellt, und der P-Typ Region, welche die Basis des Leistungsgliedes
bereitstellt, mit daraus folgendem Stromverlust.
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Mit dem zweiten in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Isolation
zwischen der Steuerregion (Linearregion) 1 und der Basisregion 7 des Leistungsgliedes
durch Bereitstellen von Einschnitten in der Region erreicht, welche
den Rand am Separationskanal zwischen den Regionen 1 und 7 bildet,
um den Rand in zwei Regionen 2c und 2d zu unterteilen,
welche benachbart, jedoch elektrisch isoliert sind. In diesem zweiten
Ausführungsbeispiel wurde
auch eine Feldplatte an den Einschnitten 9, 10 und 11 verwendet.
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Durch Verwendung derselben Prozessabfolge,
welche verwendet wird, um Hochund Niederspannungskomponenten in
Leistungsstrukturen mit vertikaler Integration zu integrieren, ist
es möglich, eine
offene Randstruktur bereitzustellen, wie zuvor erläutert, ohne
Einführung
jedweder zusätzlichen
Betriebsstufe.
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Die Stufen des Prozesses
sind im Detail wie folgt:
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Zunächst wird die Isolationsregion
gebildet; dann wird die Randregion durch Implantieren und Diffundieren
von P-Typ Dotiersubstanzen zusammen mit der Isolation hergestellt.
Die Konfiguration der Randregion wird durch Herstellen von Einschnitten mit
in geeigneter Weise ausgewählten
Größen erzielt.
Im einzelnen muss die Breite von jedem der Einschnitte vernachlässigbar
im Hinblick auf die Abmessungen der Randregion sein.
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Die Region, die für die P-Typ Implantierung undurchlässig ist,
muss derartige Abmessungen aufweisen, um das Auftreten eines elektrischen
Durchganges des Randringes durch laterale Diffusion zu vermeiden,
jedoch muss gleichzeitig verhindert werden, dass Feldlinien die
Oberflächenregionen
beeinflussen. Daher muss der Einschnitt mehr als zwei mal so groß wie die
laterale Diffusion der Randschicht sein.
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Eine N-Typ Implantierungsstufe, die
in der Region, die für
die P-Typ Randimplantierung undurchlässig ist, und vor dem Bilden
der Region 1 ausgeführt
wird, verbessert die Isolation zwischen den Kantenregionen 2, 2a und 2b.
Diese N-Typ Implantierung vermindert auch die Verarmung in der Einschnittsregion
entlang des Anschluss, des Übergangs
bzw. der Sperrschicht zwischen den Regionen 2 und der Region 3,
wodurch verhindert wird, dass eine laterale Durchschlagserscheinung
die Betriebsweise der Struktur verändert.
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In der Praxis wurde beobachtet, dass
die Kantenstruktur gemäß der Erfindung
und das Verfahren zum Herstellen dieser Struktur das gewünschte Ziel
voll erreicht, da diese Struktur, die mit dem oben beschriebenen
Verfahren ausgeführt
worden ist, es ermöglicht,
dem Randwiderstand einen unendlichen Wert zu geben, ohne dabei das
Dotierungsniveau dieser Kante zu verändern, wobei auf diese Weise
ermöglicht
wird, eine Teilung der Substratspannung bereitzustellen, selbst
wenn die Betriebsspannungen sehr hoch sind.
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Wie gezeigt, kann das Verfahren zum
Bereitstellen dieser Randstruktur auch leicht ausgeführt werden,
da es möglich
ist, die oben genannten Einschnitte in der Randstruktur durchzuführen ohne
für zusätzliche
Stufen, im Hinblick auf die normalerweise verwendeten, umzusortieren.
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In der Praxis können die verwendeten Materialien,
solange sie kompatibel mit der spezifischen Verwendung sind, sowie
die Abmessungen gemäß den Anforderungen
und dem Stand der Technik beliebig gewählt werden.
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Wo in den Ansprüchen genannte technische Merkmale
mit Bezugszeichen versehen sind, wurden derartige Bezugszeichen
zum alleinigen Zweck der Erhöhung
der Lesbarkeit der Ansprüche
eingefügt und
demgemäß haben
derartige Bezugszeichen keinerlei beschränkende Wirkung auf die Interpretation derartiger
Merkmale, die beispielhaft durch derartige Bezugzeichen identifiziert
werden.