DE69835825T2

DE69835825T2 - Verfahren und bauelement zur verringerung von elektrischen feldkonzentrationen in soi halbleiterkomponenten

Info

Publication number: DE69835825T2
Application number: DE69835825T
Authority: DE
Inventors: Hakan SJÖDIN; Anders SÖDERBÄRG; Nils ÖGREN; Ivar Hamberg
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: AU6754298A; JP2002508886A; WO1998044558A1; CA2285278A1; EP1018161B1; SE9701156L; CN1257611A; US6300173B1; DE69835825D1; TW358235B; KR20010005663A; SE9701156D0; EP1018161A1; SE522812C2; US6121668A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Reduzierung von Konzentrationen elektrischer Felder in elektrischen Komponenten.
Beschreibung des Standes der Technik
Um Komponenten in integrierten Schaltkreisen vollständig voneinander zu isolieren, können Grabentechniken in Silizium-auf-Isolatormaterial (SOI) verwendet werden. Das SOI-Material, auf dem die Komponente ausgebildet werden soll, kann aus einer dünnen Schicht aus Silizium auf einem isolierenden Material bestehen. Die Komponente wird durch einen Graben vollständig von der Umgebung isoliert, der bis auf das isolierende Substrat um den Umfang der zu isolierenden Komponente heruntergeätzt wird. Ein isolierendes Material, das von dem isolierenden Substrat verschieden ist, wird sodann im Graben abgeschieden. Dabei entstehen Komponenten in Form einer durch isolierende Materialien umgebenden Inseln aus Silizium, welche quer durch den gefüllten Graben aus isolierendem Material und vertikal durch das isolierende Substrat isoliert ist.
Das isolierende Material und das isolierende Grabenmaterial kann beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Saphir, Aluminiumoxid oder ähnliches sein. Grabentechniken und die SOI-Technologie sind aus SZE, S. M., "VLSI Technologie" – 2. Auflage" 1988, McGraw-Hill Book Company, New York, USA und aus SORIN CRISTOLOVEANU und SHENG S. LI "Elektrische Charakterisierung von Silizium-auf-Isolatormaterialien und Anordnungen" 1995, Kluwer, Academic Publishers, Massachusetts, USA bekannt geworden.
Diese Technik kann zur Isolation von Hochvoltkomponenten verwendet werden. Dabei können jedoch Probleme aufgrund der Tatsache auftreten, dass das elektrische Feld am scharfen Randbereich der aktiven Komponente konzentriert wird. Diese Konzentration des elektrischen Feldes erhöht die Lawinendurchbruchsspannung des Randbereiches, wobei dieser Teil der Anordnung bei einer kleineren Spannung als der innere Teil der Anordnung durchgeschaltet wird. Dieses Problem wird in dem Fall verschlimmert, wenn ein Leiter mit hoher Spannung über den Graben verläuft. Dies kann zu einem leichteren als erwarteten Lawinendurchbruch führen, wenn der Hochvoltleiter die Bereiche kreuzt, in denen die Konzentration des elektrischen Feldes am größten ist.
Die Patentveröffentlichung US A 5 449 946 beschreibt eine Halbleiteranordnung mit Isolationsbereichen zur Verhinderung einer kapazitiven Kopplung bei der Bildung von Schaltkreiselementen. Dies erfolgt durch Bildung einer Insel zur Verhinderung einer kapazitiven Kopplung zwischen den Inseln für die Bildung von Schaltkreiselementen, wobei die Insel zur Verhinderung einer kapazitiven Kopplung auf einem konstanten elektrischen Potential gehalten wird.
Auf der Insel wird ein Kontaktloch zur Verhinderung einer kapazitiven Kopplung gebildet, um sie auf elektrischem Erdpotential oder einem Maximum oder Minimum des elektrischen Potentials auf dem Chip zu halten, wie beispielsweise elektrisches Erdpotential oder das elektrische Potential der Spannungsquelle auf dem Chip.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung löst das Problem, wie das Auftreten eines Lawinendurchbruchs für den Fall zu reduzieren, in dem ein Hochvoltleiter über einen Bereich mit großer Konzentration des elektrischen Feldes läuft.
Das Problem wird mittels eines Zwischenleiterbereichs gelöst, welcher große Konzentrationen des elektrischen Feldes aus einer zu schützenden Komponente bewegt.
Die gemäß der Erfindung erzeugten Komponenten besitzen einen vergrößerten Widerstand gegen einen Lawinendurchbruch, wenn ein Leiter über einen Graben verläuft, was bedeutet, dass der Abstand zwischen Komponenten und Leitern reduziert werden kann oder die Komponente eine höhere Spannung aushalten kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels einer Ausführungsform der Erfindung näher erläutert, welche in den Figuren dargestellt ist. Es zeigt:
1a einen Schnitt in einer Ebene I-I der Komponente in 1b;
1b eine ebene Ansicht von Bereichen gleichen Potentials in einer bekannten Komponente;
2a einen Schnitt in einer Ebene II-II der Komponente in 2b; und
2b eine ebene Ansicht von Bereichen gleichen Potentials in einer erfindungsgemäß ausgebildeten Komponente.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die 1a und 1b zeigen eine Komponente 1 in Form einer Halbleiterinsel 1 beispielsweise aus Silizium, welche auf einem vergrabenen Isolator 3 ausgebildet ist, der seinerseits auf einem Substrat 5 ausgebildet ist. Die Komponente 1 ist von umgebendem Silizium 1 durch einen Graben 9 getrennt, welcher mit isolierendem Material, beispielsweise Siliziumoxid 10 oder polykristallines Silizium 11, gefüllt ist. Ein Leiter 13 für hohes Potential ist auf dem Teil des Isolators 3' ausgebildet, welcher über der Komponente 1, dem umgebenden Silizium 7 und dem Graben 9 ausgebildet ist. Der Leiter 13 läuft über den Graben 9 und die Hochvoltkomponente 1. Der Leiter 13 ist mittels eines Kontaktes 18 mit der Komponente 1 verbunden. Daher liegt ein Teil der Komponente 1 auf höherem Potential als das umgebende Silizium 7 oder dem Graben 9. Ein Beispiel, wie Linien gleichen Potentials in der Hochvoltkomponente 1 verlaufen, ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Die exakte Verteilung der Linien gleichen Potentials hängt natürlich vom Zustand der Komponente ab und ändert sich mit deren Aktivität. Je enger die Linien gleichen Potentials zusammenliegen, umso größer ist die Konzentration des elektrischen Feldes im Material und umso leichter kann ein Lawinendurchbruch auftreten. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass das größte Risiko für einen Lawinendurchbruch an einem Rand 14 der Hochvoltkomponente 1 liegt, welcher der Stelle am nächsten liegt, an welcher der Leiter 13 über dem Graben 9 verläuft. Die Konzentration des elektrischen Feldes in der Komponente 1 ist am Rand 14 am größten. Ein Lawinendurchbruch ist unerwünscht, da er die Funktion von Komponenten beeinträchtigt, in welchen er auftritt.
Die 2a und 2b zeigen eine gleichartige Komponente mit Lawinendurchbruchs-Verschiebungsmitteln gemäß der Erfindung. Ein Zwischenleiterbereich in Form einer Insel aus Silizium 15 ist durch eine nicht-leitende Grabenstruktur 16 umgeben, welche in konventioneller Weise hergestellt ist. Die Insel 15 ist mittels eines Kontakts 17 mit dem Leiter 13 verbunden. Wie oben beschrieben, ist der Leiter 13 mittels eines Kontakts 18 mit der Komponente 1 verbunden. Wie die gestrichelten Linien zeigen, treten die Spitzenkonzentrationen der Linien gleichen Potentials nicht mehr in der Komponente 1, sondern in der Insel 15, auf. Daher kann die Komponente 1 beispielsweise mit höheren Potentialen und Reduzierung des Risikos eines Lawinendurchbruchs am Rand 14 arbeiten.
Es ist darauf hinzuweisen, dass mit den Lawinendurchbruchs-Verschiebungsmitteln gemeint ist, dass die erfindungsgemäßen Mittel einen Lawinendurchbruch in der Komponente verhindern, in dem ein möglicher Lawinendurchbruch aus der Komponente in einen Bereich verlegt wird, in dem Konsequenzen weniger schädlich sind.
Die optimale Größe der Insel 15 hängt neben anderem von der Potentialdifferenz zwischen dem Leiter 13 und dem benachbarten leitenden Bereich 7 und den Komponenten 1, der Größe des Leiters und der Dicke des Materials der Isolation 3' ab. Um Platz auf dem Chip zu sparen, sollte die Insel 15 vorzugsweise so klein wie möglich sein und daher einen Oberflächenbereich besitzen, welcher kleiner ist, als der normalerweise für die Herstellung einer elektrischen Komponente 1 notwendige Platz. Er sollte wenigstens kleiner als die Hälfte der Größe der zu schützenden Komponente 1 und vorzugsweise kleiner als ein Zehntel dieser Größe sein. Um die Feldkonzentrationen einzuschließen, sollte sie wenigstens so breit wie der darüberliegende Leiter 13 sein. Es ist natürlich möglich, dass es aus Herstellungsgründen bevorzugt sein kann, die Insel 15 als lang gestrecktes Rechteck zwischen zwei Gräben 9, 16 auszubilden, das im Wesentlichen über die gesamte Länge von einer oder mehreren Seiten der Komponente 1 verläuft.
Es ist denkbar, dass eine Insel 15 so ausgebildet sein kann, dass eine Verbindung mit zwei oder mehr Leitern herstellbar ist, wobei in diesem Fall die Abmessung der Insel größer sein kann. Es ist dennoch bevorzugt, dass ihre Breite in den oben angegebenen Größenbereichen liegt. In diesem Falle sollten die Leiter näherungsweise das gleiche elektrische Potential besitzen, um das Risiko eines Lawinendurchbruchs in der Insel 15 zu vermeiden. Vorzugsweise sollten Unterschiede im elektrischen Potential kleiner als 10 V sein.
Obwohl es möglich ist, eine Anordnung in Betracht zu ziehen, in dem die Insel 15 als elektrische Funktionskomponente, wie beispielsweise ein Widerstand, eine Kapazität, eine Diode oder ein Transistor ausgebildet ist, ist die Insel 15 in der bevorzugten Ausführungsform inaktiv, d.h., sie dient lediglich zur Verschiebung von Konzentrationen des elektrischen Feldes in der Nähe der Komponente.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform eine rechteckige Insel vorgesehen ist, kann in einer Anordnung gemäß der Erfindung jede Form der Insel 15 verwendet werden. Das die oben angegebenen Strukturen umgebende isolierende Material kann jedes geeignete Material oder Kombinationen von Materialien sein. Geeignete Materialien sind dotiertes oder undotiertes amorphes oder polykristallines Silizium, Siliziumdioxid und/oder Nitrid und/oder jedes andere geeignete Material.
Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Komponenten beschränkt, welche auf einem vergrabenen Isolator ausgebildet sind. Sie ist auch zur Verwendung mit jeder anderen elektrischen Komponente geeignet.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf elektrische Anordnungen unter Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial; sie sind jedoch auch bei Anwendungen von Anordnungen unter Verwendung anderer Halbleitermaterialien anwendbar.

Claims

Elektrische Anordnung, die in einer Siliziumschicht ausgebildet ist und eine durch einen Graben (9) von einer leitenden Zone (7) getrennte elektrische Hochvoltkomponente (1) umfasst, worin ein für ein hohes Potential vorgesehener Leiter (13) elektrisch mit der elektrischen Komponente (1) verbunden ist und von der leitenden Zone (7) über den Graben (9) zu einem Kontakt (18) auf der elektrischen Komponente (1) verläuft, so dass ein Teil (14) der elektrischen Komponente (1) auf ein höheres elektrisches Potential als das umgebende Silizium (7) und als der Graben (9) gebracht werden kann, selbst bis zu einer Konzentration des elektrischen Feldes, welche einen Lawinendurchbruch bewirken kann, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Anordnung Lawinendurchbruchs-Verschiebungsmittel umfasst, die durch einen Zwischenleiterbereich (15) in Form einer Insel aus Silizium gebildet sind, welche von einer nicht-leitenden Grabenstruktur (16) umgeben ist, wobei der Zwischenleiterbereich (15) durch die Grabenstruktur (16) von der leitenden Zone (7) und der elektrischen Komponente (1) getrennt ist, und dass der Leiter (13) elektrisch mit dem Zwischenleiterbereich (15) zwischen der leitenden Zone (7) und der elektrischen Komponente (1) verbunden ist, wodurch der Zwischenleiterbereich das gleiche elektrische Potential wie das elektrische Potential des Teils (14) erhält, so dass die hohe Konzentration des elektrischen Feldes und damit der mögliche Lawinendurchbruchsbereich nicht in der Komponente (1), sondern im Zwischenleiterbereich (15) liegt.
Elektrische Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenleiterbereich (15) eine Schicht aus Siliziummaterial auf einem vergrabenen Isolator (3) umfasst, welcher aus einem Halbleitersubstrat (5) ausgebildet ist.
Elektrische Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Graben (16) dotiertes, undotiertes amorphes oder polykristallines Silizium, Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid und/oder irgendein anderes isolierendes Material umfasst.
Elektrische Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Zwischenleiterbereichs (15) kleiner als die Hälfte des Oberflächenbereiches der elektrischen Komponente (1) ist.
Elektrische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Zwischenleiterbereiches (15) kleiner als ein Zehntel des Oberflächenbereiches der elektrischen Komponente (1) ist.
Elektrische Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Leiter in elektrischem Kontakt mit dem Zwischenleiterbereich (15) stehen.
Elektrische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle mit dem Zwischenleiterbereich (15) in elektrischem Kontakt stehenden Leiter (13) im Wesentlichen das gleiche Potential besitzen.
Verfahren zur Reduzierung von Feldstärkekonzentrationen in einer elektrischen Hochvoltkomponente (1), die in einer Siliziumschicht ausgebildet ist, in der die elektrische Komponente (1) von einer leitenden Zone (7) durch einen Graben (9) getrennt ist, und worin ein Leiter (13) von der leitenden Zone (7) zu einem Kontakt (18) auf der elektrischen Komponente (1) verläuft, so dass ein Teil (14) der Komponente (1) auf ein höheres elektrisches Potential als das umgebende Silizium (7) und als der Graben (9) gebracht werden kann, selbst bis zu einer Konzentration des elektrischen Feldes, welche einen Lawinendurchbruch bewirken kann, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ausbilden eines Zwischenleiterbereiches (15) in Form einer Insel zwischen der leitenden Zone (7) und der elektrischen Komponente (1); Ausbilden einer nicht-leitenden Grabenstruktur (16), welche den Zwischenleiterbereich (15) umgibt; Elektrisches Verbinden des Zwischenleiterbereiches (15) mit dem Leiter (13), wodurch der Zwischenleiterbereich das gleiche elektrische Potential wie das elektrische Potential des Teils (14) erhält, so dass die hohe Konzentration des elektrischen Feldes und der mögliche Lawinendurchbruchsbereich nicht in der Komponente (1), sondern in dem Zwischenleiterbereich (15) liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Ausbildung des Zwischenleiterbereiches (15) als Schicht aus Halbleitermaterial (15) auf einem vergrabenen Isolator (3) auf einem Halbleitersubstrat (5).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Graben (16) dotiertes oder undotiertes amorphes oder polykristallines Silizium, Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid und/oder jedes andere isolierende Material umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Zwischenleiterbereiches (15) kleiner als die Hälfte des Oberflächenbereiches der elektrischen Komponente (1) gemacht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Zwischenleiterbereichs (15) kleiner als ein Zehntel des Oberflächenbereiches der elektrischen Komponente (1) gemacht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 12, gekennzeichnet durch Ausbilden des Zwischenleiterbereiches (15) mit elektrischem Kontakt zu weiteren Leitern.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass alle in elektrischem Kontakt mit dem Zwischenleiterbereich (15) stehenden Leiter im Wesentlichen das gleiche Potential besitzen.