EP0852068A1 - Anordnung mit einem pn-übergang und einer massnahme zur herabsetzung der gefahr eines durchbruchs des pn-übergangs - Google Patents

Anordnung mit einem pn-übergang und einer massnahme zur herabsetzung der gefahr eines durchbruchs des pn-übergangs

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EP0852068A1
EP0852068A1 EP96934370A EP96934370A EP0852068A1 EP 0852068 A1 EP0852068 A1 EP 0852068A1 EP 96934370 A EP96934370 A EP 96934370A EP 96934370 A EP96934370 A EP 96934370A EP 0852068 A1 EP0852068 A1 EP 0852068A1
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EP
European Patent Office
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doped region
electrode
region
doped
edge section
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Withdrawn
Application number
EP96934370A
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English (en)
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Frank Pfirsch
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L29/0615—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
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    • H01L29/402—Field plates

Definitions

  • IGBTs in particular isolated gate bipolar transistor
  • an electrode is arranged with a multi-stage edge section, the edge section of the electrode arranged in the region of the p-doped region lies at a distance from one another and
  • the space required for this measure is approximately 350 ⁇ m in the direction of the distance between the edge regions of the electrodes.
  • the step heights in the multilevel edge sections are determined by the thickness of layers of electrically insulating material, for example oxide layers, lying beneath the multilevel edge sections and between these sections, and are limited to a total thickness of approximately 10 ⁇ m for reasons of process technology.
  • Each step of the multi-step edge section of the electrode arranged in the region of the p-doped region generates an electrical field peak in the semiconductor material, which is defused by the subsequent part of this electrode, so that this electrode can be understood as a field plate which is intended to cause that If possible, no electrical field peaks occur in the body made of semiconductor material.
  • the electrode arranged outside the p-doped region in the region of the n-doped region can be regarded as a stop electrode which is intended to cause a space charge zone in the body made of semiconductor material to no longer propagate.
  • the reduction in the blocking capacity by the field peaks generated by the steps of the edge section of the field plate should be as small as possible, which requires a good coordination of the step height measured perpendicular to the surface of the body and parallel to this surface in the direction of the step length of each step measured away from the p-doped region.
  • the field tip at a free end of the edge section of this electrode can no longer be reduced and limited as described therefore - with a given thickness of the layer of electrically insulating material, ie with a given distance of this free end from the surface - the maximum possible barrier ability of the body.
  • JTE technique JTE stands for junction
  • Termination Extension in the case of the pn junction formed in the body from semiconductor material, which here too is a transition from a p-doped area formed in the body on its surface to an n-doped area of the body adjacent to this area is, in comparison to the p-doped region, a weaker p-doped region in the body is formed on its surface, which borders both on the p-doped region and on the n-doped region of the body.
  • the weakly p-doped region When a reverse voltage is applied, the weakly p-doped region is partially, but not completely, cleared of free charge carriers, with no larger field strength peaks occurring.
  • the problem with this other measure is that a certain dose of the weaker p-doping must be adhered to very precisely in order to obtain a high blocking capacity. Accordingly, the structure is very sensitive to surface charges and is difficult to master technically.
  • the invention specified in claim 1 is advantageously suitable for reverse voltages of 1600 V and more with a small space requirement.
  • the arrangement according to the invention is advantageously suitable for a voltage range of 1600 V to 2500 V and even blocking voltages of significantly more than 2500 V can be achieved with a small space requirement of, for example, only 550 ⁇ m.
  • the invention to a certain extent consists of a combination of the two proposed measures described above and avoids their disadvantages.
  • the weaker p-doped region reduces the field strength peaks, so that with the same maximum distance of the free end of the edge section offset from the surface of the body made of semiconductor material, each
  • the exact dose of the weaker p-doping is less critical, since in the weakly p-doped region, missing charge is provided to a certain extent by the electrode arranged in the region of the p-doped region.
  • the arrangement specified in claim 6 has the advantage that the range of the weaker p-dose, in which the highest voltage is reached, widens. 97/11495 PC17DE96 / 01557
  • FIG. 1 shows a cross section through a first exemplary embodiment of the arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a diagram in which breakdown voltage of the example according to FIG. 1 is plotted for various n-dopings of the body made of semiconductor material as a function of the concentration of the p-doping of the p-doped region,
  • FIG. 3 shows a cross section through a second exemplary embodiment of the arrangement according to the invention, in which the weakly p-doped region has an interruption
  • FIG. 4 shows a diagram in which the breakdown voltages of the example according to FIG. 3 in for different n-doping of the body made of semiconductor material
  • FIG. 5 shows in cross section a proposed arrangement with two electrodes
  • FIG. 7 shows a diagram in which the breakdown voltage of the arrangement according to FIG. 6 is plotted as a function of the concentration of the p-doping of the p-doped region for a single n-doping of the body made of semiconductor material.
  • the body 1 made of semiconductor material, for example silicon, a pn junction designated by 23 and indicated by a dashed line, which transitions from a p-doped region 2 formed in the body 1 on its surface 10 to a region 2 on this region 2 and also on the surface 10 bordering n-doped region 3 of the body 1.
  • the p-doped region 2 preferably has a high Dotie ⁇ approximate concentration of 10 17 to 1 lO ⁇ cm -3 au f unc ⁇ w i RRJ ⁇ For this reason, hereinafter referred to as p + -doped region referred to.
  • da ⁇ n-doped region 3 preferably has a low doping concentration of 10 ⁇ 3 to lO ⁇ 4 cm-3 f au and is referred to for this reason referred to as n ⁇ -doped region.
  • the p + -doped region 2 has an outline 20 on the surface 10 of the body 1 on which this region 2 delimits and at the same time the pn transition from the p + -doped region 2 to the n ⁇ - doped region 3 on the surface 10 of the body 1 marked.
  • an electrode 4 On the surface 10 of the body 1 of p + is in the range - doped region 2 is disposed an electrode 4, the doped over the outline 20 of the p + region 2 has a recessed from the surface 10 of multi-stage edge portion 40, the border of the electrode 4 is indicated by the dashed line 45 perpendicular to the surface 10 of the body 1.
  • the multi-stage edge section 40 has on its side facing the surface 10 of the body 1 a plurality, for example three adjoining steps, which are designated in sequence from left to right in FIG. 1 by 40, 402 and 403, where the last stage 403 borders an end 41 of this edge section 40 facing away from the electrode 4.
  • an electrode 5 is arranged, one of the edge portion 40 of the area of the p + -doped area Area 2 arranged electrode 4 at a distance d opposite and offset from the surface 10, at least one-stage edge section 50, the boundary of the electrode 5 is indicated by the dashed line 55 perpendicular to the surface 10 of the body 1.
  • the edge section 50 can be structured more simply than the edge section 40, however it is e.g. B. for manufacturing reasons, often useful to structure it also in several stages, in particular essentially the same as the edge section 40.
  • the edge section 50 is essentially identical to the edge section 40 and has on its side assigned to the surface 10 of the body 1 three adjoining steps, which in FIG. 1 are in sequence from right to left with 50 ⁇ , 502 and 503 are designated, the last stage 503 bordering an end 51 of this edge section 50 which is remote from the electrode 5 and which faces the end 41 of the edge section 40 and which ends 41 of the edge section 40 with the distance d opposite.
  • At least one region 6, which is weaker than the p + -doped region 2 is formed in the body 1 on the surface 10 thereof, which surface the n " -doped region 3 borders, which is indicated by a dash-dotted line 63.
  • the weaker p-doped region 6 preferably has a relatively low doping concentration of bi s lO 1 ⁇ cm "" 3 and is therefore referred to below as p ⁇ - doped region.
  • the p ⁇ -doped region 6 preferably adjoins the p + -doped region 2 under the edge section 40 of the electrode 4 and, in the example according to FIG. 1, extends continuously from the ⁇ + -doped region 2 in the direction of the electrode 5 to below the Edge section 50 of this electrode 5.
  • the steps 40] to 403 of the electrode 4 have the effect of generating an electrical field tip in the semiconductor material of the body 1, each field tip generated by a step through the part of the edge section 40 of the electrode adjacent to this step in FIG. 1 4 is defused again.
  • the part of the edge section 40 which adjoins the step 40 ⁇ has the task of defusing the field peaks which occur on the right edge of the p + -doped region 2. In this way, the electrode 4 acts as a field plate.
  • the electrode 5 has the task of stopping the spreading of a space charge zone in the body 1 to the right in FIG. 1 and can therefore also be referred to as a stop electrode. For this task, it is favorable if the electrode 5 in the region of a doped compared with the n ⁇ region 3 more n-do ⁇ oriented region 7 in the body 1, at da ⁇ de ⁇ sen surface 10 adjoins, is arranged, and its border to the n " 1 is indicated by a dotted line 73.
  • the doping concentration of the more n-doped region 7 is preferably higher than lO 1 ⁇ C m ⁇ 3 and can therefore be referred to as n + -doped region become.
  • Such a stepped coating fills the space 8 between the electrodes 4 and 5.
  • the surface 42 or 52 of the electrodes 4 and 5 facing away from the surface 10 of the body 1 is not, as shown in FIG. 1, flat, but also has steps which roughly follow the steps shown .
  • steps 40 and 50 ⁇ _ have the same step height a1
  • steps 402 and 502 have the same step height a2
  • steps 403 and 503 have the same step height a3.
  • the lengths of the individual stages measured horizontally in FIG. 1 can differ from one another, in particular when the two electrodes 4 and 5 are compared with one another.
  • the breakdown voltages of the pn junction 23 for different doping concentrations of the n ⁇ doping of the body 1 are excluded from the diagram shown in FIG Semiconductor material depending on different doping concentrations of the n ⁇ -doped region 3 can be removed. It is assumed that the body 1 consists of silicon, the doping concentration of the p + -doped region 2 is equal to 10 17 cm ⁇ 3 bi ⁇ lO 1 ⁇ cm -3 and its vertical thickness bl in
  • FIG. 1 is typically about 6 ⁇ m
  • the doping concentration of the n ⁇ -doped region 3 is in the range from 3-10 13 - cm -3 to 7-10 13 cm -3
  • the doping concentration of the p ⁇ -doped region 6 the surface 10 de ⁇ ischen ⁇ 1 in the range of lO ⁇ 1 C m "3 bi ⁇ 7-lu 1 ⁇ C ⁇ m is 3
  • the verti ⁇ cal thickness b2 in Figure 1 containingrwei ⁇ e about 6 microns is, the two electrodes 4 and 5 au ⁇
  • the step height al is 2 ⁇ m
  • the step height a2 is 1.5 ⁇ m
  • the step height a3 is 4.8 ⁇ m
  • the horizontal dimension of the entire arrangement in Figure 1 is approximately equal to 550 microns.
  • Curves I to IV in FIG. 2 each give the sequence of the breakdown voltage of the pn junction 23 in turn
  • the embodiment according to FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 1 only in that it differs from the p + -doped region 2 in the direction of the electrode 5 under the edge section 50 of this electrode 5 extending p ⁇ -doped region 6 has at least one interruption 60. Otherwise, this exemplary embodiment is identical to the example according to FIG. 1.
  • the p ⁇ -doped region 6 preferably has an interruption 60 under the edge section 40 of the electrode 4 and / or in the vicinity of the end 41 of the edge area 40 of this electrode 4.
  • An interruption 60 under the end 41 advantageously leads to the fact that the range of the doping concentration of the p ⁇ -doped region 6, widened at the surface 10, in which the highest breakdown voltage is achieved over thewhere ⁇ beispiel of FIG. 1
  • FIG. 5 shows an example of a conventional arrangement having two electrodes 4 and 5, which only differs from the erfindungsgemä ⁇ SEN arrangement of Figure 1 or 3 that da ⁇ ⁇ p -doped region 6 is absent, but an ⁇ on ⁇ ten i ⁇ t same.
  • FIG. 6 shows a conventional arrangement using JTE technology with a p ⁇ -doped region 6, for example, which differs from the arrangement according to the invention according to FIG. 1 or 3 only in that electrodes 4 and 5 are missing, but are otherwise the same.
  • the diagram according to FIG. 7 shows in curve IV the course of the breakdown voltage of the pn junction 23 of the conventional arrangement according to FIG. 6 for the doping concentration 3.2-10 13 cm -3 of the n " -doped region 3 as a function of the doping concentration of the p ⁇ -doped region 6 on the surface 10 of the body 1, the horizontal dimension of the entire digestible arrangement again being 550 ⁇ m.
  • the maximum of this curve lying above 3 kV can be clearly seen, but in comparison to the corresponding curves IV in Figure 2 and Figure 4 is very pointed and narrow, so that the range of the doping concentration of the p ⁇ -doped
  • Area 6 on the surface 10 in which the highest breakdown voltage is reached, is disadvantageously very narrow.

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Abstract

Die Anordnung mit dem pn-Übergang und der Maßnahme zur Herabsetzung der Gefahr eines Durchbruchs des Übergangs besteht aus einer Kombination aus einer Feldplatte (4) und einer Stoppelektrode (5) mit jeweils einem mehrstufigen Randabschnitt (40 bzw. 50) mit einer JTE-Technik, wodurch sich Sperrspannungen von deutlich über 2500 Volt bei geringem Platzbedarf erreichen lassen.

Description

Beschreibung
Anordnung mit einem pn-Übergang und einer Maßnahme zur Herab- setzung der Gefahr eines Durchbruchs des pn-Übergangs
Bei Halbleiterbauelementen mit pn-Übergang für mittlere und hohe Sperrspannungen ist es nötig, dort wo der sperrende pn- Übergang an die Oberfläche des Körpers aus Halbleitermaterial kommt, Maßnahmen zu treffen, welche die Gefahr eines elektri¬ schen Überschlags oder eines Durchbruchs des pn-Übergangs herabsetzen oder ganz beseitigen.
Bei Dioden, insbesondere Leistungsdioden, und Bipolartransi- stören mit isoliertem Gate (= IGBTs, IGBT steht für Isolated Gate Bipolar Transistor) für eine Sperrspannung von 1200 Volt besteht vorgeschlagenermaßen eine solche Maßnahme zur Herab¬ setzung der Gefahr eines elektrischen Überschlags oder Durchbruchs des in einem Körper aus Halbleitermaterial ausge- bildeten pn-Übergangs, der ein Übergang von einem in diesem Körper an dessen Oberfläche ausgebildeten p-dotierten Gebiet zu einem an dieses Gebiet angrenzenden n-dotierten Gebiet des Körpers ist, darin, daß auf der Oberfläche des Körpers - im Bereich des p-dotierten Gebiets eine Elektrode mit einem von der Oberfläche abgesetzten mehrstufigen Randab¬ schnitt über einem das p-dotierte Gebiet an der Oberfläche begrenzenden Umriß dieses p-dotierten Gebiets und außerhalb des p-dotierten Gebiets im Bereich des n-dotier- ten Gebiets eine Elektrode mit einem mehrstufigen Randab¬ schnitt angeordnet wird, der dem Randabschnitt der im Bereich des p-dotierten Gebiets angeordneten Elektrode mit Abstand gegenüberliegt und von der Oberfläche abgesetzt ist. Der Körper aus Halbleitermaterial besteht beispielsweise aus Silizium, die Elektroden beispielsweise aus Aluminium oder Polysilizium.
Der für diese Maßnahme benötigte Platz beträgt in Richtung des Abstandes zwischen den Randbereichen der Elektroden etwa 350 μm.
Die Stufenhöhen in den mehrstufigen Randabschnitten sind durch die Dicke von unter den mehrstufigen Randabschnitten und zwischen diesen Abschnitten liegenden Schichten aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Oxidschich¬ ten, bestimmt und aus prozeßtechnischen Gründen auf eine Gesamtdicke von etwa 10 μm beschränkt.
Jede Stufe des mehrstufigen Randabschnitts der im Bereich des p-dotierten Gebiets angeordneten Elektrode erzeugt eine elektrische Feldspitze im Halbleitermaterial, die durch den jeweils nachfolgenden Teil dieser Elektrode wieder entschärft wird, so daß diese Elektrode als eine Feldplatte aufgefaßt werden kann, die bewirken soll, daß im Körper aus Halbleiter¬ material möglichst keine elektrischen Feldspitzen auftreten.
Die außerhalb des p-dotierten Gebiets im Bereich des n-do- tierten Gebiets angeordnete Elektrode kann als eine Stopp¬ elektrode angesehen werden, die bewirken soll, daß sich im Körper aus Halbleitermaterial eine Raumladungszone nicht weiter ausbreitet.
Die Verringerung der Sperrfähigkeit durch die von den Stufen des Randabschnitts Feldplatte erzeugten Feldspitzen soll möglichst gering sein, was eine gute Abstimmung der senkrecht zur Oberfläche des Körpers gemessenen Stufenhöhe und parallel zu dieser Oberfläche in Richtung vom p-dotierten Gebiet fort gemessenen Stufenlänge jeder Stufe erfordert. Die Feldspitze an einem freien Ende des Randabschnitts dieser Elektrode kann nicht mehr, wie beschrieben, verringert werden und begrenzt daher - bei vorgegebener Dicke der Schicht aus elektrisch isolierendem Material, d. h. bei vorgegebenem Abstand dieses freien Endes von der Oberfläche - die maximal mögliche Sperr¬ fähigkeit des Körpers.
Für Bauelemente mit einem pn-Übergang für 1600 Volt Sperr¬ spannung werden deshalb zusätzlich zwei feldplattengeschützte Feldringe eingeführt, die jedoch viel Platz, beispielsweise 650 μm, benötigen. Für noch höhere Sperrspannungen wird eine derartige Anordnung zunehmend ungünstiger.
Eine andere vorgeschlagene Möglichkeit einer Maßnahme zur Verringerung der Gefahr eines elektrischen Überschlags oder Durchbruchs eines pn-Übergangs besteht in einer Übergangser- Weiterungstechnik (= JTE-Technik, JTE steht für Junction
Termination Extension) , bei der bei dem im Körper aus Halb¬ leitermaterial ausgebildeten pn-Übergang, der auch hier ein Übergang von einem im Körper an dessen Oberfläche ausgebilde¬ ten p-dotierten Gebiet zu einem an dieses Gebiet angrenzenden n-dotierten Gebiet des Körpers ist, ein im Vergleich zum p- dotierten Gebiet schwächer p-dotiertes Gebiet im Körper an dessen Oberfläche ausgebildet ist, welches sowohl an das p- dotierte Gebiet als auch an das n-dotierte Gebiet des Körpers grenzt.
Beim Anlegen einer Sperrspannung wird das schwächer p-dotier¬ te Gebiet zum Teil, aber nicht vollständig von freien La¬ dungsträgern ausgeräumt, wobei keine größeren Feldstärke¬ spitzen entstehen.
Das Problem bei dieser anderen Maßnahme besteht darin, daß eine bestimmte Dosis der schwächeren p-Dotierung sehr genau eingehalten werden muß, um eine hohe Sperrfähigkeit zu erhal¬ ten. Dementsprechend ist die Struktur sehr empfindlich gegenüber Oberflächenladungen und technisch schwer zu be¬ herrschen. Die im Anspruch 1 angegebene Erfindung ist vorteilhafterweise für Sperrspannungen von 1600 V und mehr bei geringem Platzbe¬ darf geeignet.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Anordnung für einen Spannungsbereich von 1600 V bis 2500 V geeignet und es lassen sich sogar Sperrspannungen von deutlich über 2500 V bei geringem Platzbedarf von beispielsweise nur 550 μm errei¬ chen.
Die Erfindung besteht gewissermaßen aus einer Kombination aus den beiden vorstehend beschriebenen vorgeschlagenen Maßnahmen und vermeidet deren Nachteile.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen Kombination beruht auf folgendem:
Einerseits verringert das schwächer p-dotierte Gebiet die Feldstärkespitzen, so daß bei gleichem maximalem Abstand des freien Endes des von der Oberfläche des Körpers aus Halbleitermaterial abgesetzten Randabschnitts jeder
Elektrode von dieser Oberfläche eine höhere Sperrspannung erreicht werden kann als ohne dieses schwächer dotierte p- Gebiet. Andererseits ist die genaue Dosis der schwächeren p-Dotie- rung weniger kritisch, da im schwächer p-dotierten Gebiet fehlende Ladung von der im Bereich des p-dotierten Gebiets angeordneten Elektrode bis zu einem gewissen Grad zur Verfügung gestellt wird.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsge¬ mäßen Anordnung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Insbesondere die im Anspruch 6 angegebene Anordnung hat den Vorteil, daß sich der Bereich der schwächeren p-Dosis, in welchem die höchste Spannung erreicht wird, verbreitert. 97/11495 PC17DE96/01557
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbei- spiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
Figur 2 ein Diagramm, in welchem für verschiedene n-Dotie- rungen des Körpers aus Halbleitermaterial Durch- bruchspannung des Beispiels nach Figur 1 in Abhän- gigkeit von der Konzentration der p-Dotierung des p-dotierten Gebiets aufgetragen sind,
Figur 3 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbei¬ spiel der erfindungsgemäßen Anordnung, bei welchem das schwächer p-dotierte Gebiet eine Unterbrechung aufweist,
Figur 4 ein Diagramm, in welchem die für verschiedene n- Dotierungen des Körpers auε Halbleitermaterial Durchbruchspannungen des Beispiels nach Figur 3 in
Abhängigkeit von der Konzentration der p-Dotierung des p-dotierten Gebiets aufgetragen εind,
Figur 5 im Querschnitt eine vorgeschlagene Anordnung mit zwei Elektroden,
Figur 6 im Querschnitt eine andere vorgeschlagene Anordnung in JTE-Technik, und
Figur 7 ein Diagramm, in welchem die Durchbruchspannung der Anordnung nach Figur 6 in Abhängigkeit von der Kon¬ zentration der p-Dotierung des p-dotierten Gebietε für eine einzige n-Dotierung des Körpers aus Halb¬ leitermaterial aufgetragen ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 der erfindungsgemä¬ ßen Anordnung weist der Körper 1 aus Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, einen mit 23 bezeichneten und durch eine gestrichelte Linie angedeuteten pn-Übergang auf, der ein Übergang von einem im Körper 1 an dessen Oberfläche 10 ausge¬ bildeten p-dotierten Gebiet 2 zu einem an dieses Gebiet 2 und ebenfalls an die Oberfläche 10 grenzenden n-dotierten Gebiet 3 des Körpers 1 ist.
Das p-dotierte Gebiet 2 weist vorzugsweise eine hohe Dotie¬ rungskonzentration von 1017 bis lO1^ cm-3 auf unc\ wirrj\ aus diesem Grund im folgenden als p+-dotiertes Gebiet bezeichnet. Dagegen weist daε n-dotierte Gebiet 3 vorzugsweise eine niedrige Dotierungskonzentration von 10^3 bis lO^4 cm-3 auf und wird aus diesem Grund im folgenden als n~-dotiertes Gebiet bezeichnet.
Das p+-dotierte Gebiet 2 weist an der Oberfläche 10 des Körpers 1 einen Umriß 20 auf der dieseε Gebiet 2 begrenzt und zugleich den pn-Übergang vom p+-dotierten Gebiet 2 zum n~- dotierten Gebiet 3 an der Oberfläche 10 deε Körpers 1 mar- kiert.
Auf der Oberfläche 10 des Körpers 1 ist im Bereich des p+- dotierten Gebiets 2 eine Elektrode 4 angeordnet, die über dem Umriß 20 des p+-dotierten Gebiets 2 einen von der Oberfläche 10 abgesetzten mehrstufigen Randabschnitt 40 aufweist, dessen Grenze zur Elektrode 4 durch die zur Oberfläche 10 des Kör¬ pers 1 senkrechte gestrichelte Linie 45 angedeutet ist.
Der mehrstufige Randabschnitt 40 weiεt auf εeiner der Ober- fläche 10 des Körpers 1 zugekehrten Seite mehrere, bei¬ spielsweise drei aneinandergrenzende Stufen auf, die in der Figur 1 der Reihe nach von links nach rechts mit 40^, 402 und 4O3 bezeichnet sind, wobei die letzte Stufe 4O3 an ein von der Elektrode 4 abgekehrtes Ende 41 dieses Randabschnitts 40 grenzt. Ebenso ist auf der Oberfläche 10 des Körpers 1, aber außer¬ halb des p+-dotierten Gebiets 2 im Bereich des n~-dotierten Gebiets 3 eine Elektrode 5 angeordnet, die einen dem Rand¬ abschnitt 40 der im Bereich des p+-dotierten Gebiets 2 ange¬ ordneten Elektrode 4 mit Abstand d gegenüberliegenden und von der Oberfläche 10 abgesetzten, zumindest einstufigen Randabschnitt 50 aufweist, dessen Grenze zur Elektrode 5 durch die zur Oberfläche 10 des Körperε 1 senkrechte gestri¬ chelte Linie 55 angedeutet ist.
Der Randabschnitt 50 kann einfacher als der Randabschnitt 40 strukturiert sein jedoch ist es, z. B. aus herstellungsbe¬ dingten Gründen, oft zweckmäßig, ihn ebenfalls mehrstufig, insbeεondere im wesentlichen gleich dem Randabschnitt 40 zu strukturieren.
Beim Beispiel nach Figur 1 ist der Randabschnitt 50 im we¬ sentlichen gleich dem Randabschnitt 40 ausgebildet und weist auf seiner der Oberfläche 10 des Körpers 1 zugeordneten Seite drei aneinandergrenzende Stufen auf, die in der Figur 1 der Reihe nach von rechts nach links mit 50^, 502 und 5O3 be¬ zeichnet sind, wobei die letzte Stufe 5O3 an ein von der Elektrode 5 ab- und dem Ende 41 des Randabschnitts 40 zuge¬ kehrtes Ende 51 dieses Randabschnitts 50 grenzt, das dem Ende 41 des Randabschnitts 40 mit dem Abstand d gegenüberliegt.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Randabschnitt 40 der Elek¬ trode 4 und dem Randabschnitt 50 der Elektrode 5 zumindest ein im Vergleich zum p+-dotierten Gebiet 2 schwächer p-do- tiertes Gebiet 6 im Körper 1 an dessen Oberfläche 10 ausge¬ bildet, welcheε an das n"-dotierte Gebiet 3 grenzt, was durch eine strichpunktierte Linie 63 angedeutet ist.
Das schwächer p-dotierte Gebiet 6 weist vorzugsweise eine relativ niedrige Dotierungskonzentration von bis lO1^ cm""3 auf und wird aus diesem Grund im folgenden als p~- dotierteε Gebiet bezeichnet. Vorzugsweise grenzt das p~-dotierte Gebiet 6 unter dem Rand¬ abschnitt 40 der Elektrode 4 an das p+-dotierte Gebiet 2 und erstreckt sich beim Beispiel nach Figur 1 kontinuierlich vom ρ+-dotierten Gebiet 2 in Richtung zur Elektrode 5 bis unter den Randabschnitt 50 dieser Elektrode 5.
Die Stufen 40]_ bis 4O3 der Elektrode 4 haben die Wirkung, jeweils eine elektrische Feldspitze im Halbleitermaterial des Körpers 1 zu erzeugen, wobei jede von einer Stufe erzeugte Feldspitze durch den in der Figur 1 rechts an diese Stufe angrenzenden Teil deε Randabschnitts 40 der Elektrode 4 wieder entschärft wird. Der linkε an die Stufe 40^ angren¬ zende Teil des Randabschnitts 40 hat die Aufgabe, die am rechten Rand des p+-dotierten Gebiets 2 auftretenen Feldspit¬ zen zu entschärfen. Die Elektrode 4 wirkt auf diese Weise alε eine Feldplatte.
Die Elektrode 5 hat die Aufgabe die Ausbreitung einer Raumla- dungεzone im Körper 1 nach rechtε in der Figur 1 zu stoppen und kann daher auch als Stoppelektrode bezeichnet werden. Für diese Aufgabe ist es günstig, wenn Elektrode 5 im Bereich eines im Vergleich zum n~-dotierten Gebiet 3 stärker n-do¬ tierten Gebietes 7 im Körper 1, daε an deεsen Oberfläche 10 grenzt, angeordnet ist, und dessen Grenze zum n"-dotierten Gebiet 3 in der Figur 1 durch eine punktierte Linie 73 ange¬ deutet ist. Die Dotierungskonzentration des stärker n-dotier¬ ten Gebietes 7 ist vorzugsweise höher als lO1^ Cm~3 und kann daher alε n+-dotierteε Gebiet bezeichnet werden.
Die Elektroden 4 und 5 und deren Stufen 40ι_ bis 4O3 bzw. 50} bis 5O3 werden zweckmäßigerweiεe mit Hilfe einer partiell auf der Oberfläche 10 deε Körperε 1 erzeugten und die Stufen der Elektroden 4 und 5 definierenden geεtuften Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweiεe Oxid, erzeugt, wobei die Elektroden 4 und 5 durch Aufbringen einer oder mehrere Schichten aus elektrisch leitendem Material auf die Oberfläche 10 des Körpers 1 und die gestufte Beschichtung hergestellt werden. Eine solche gestufte Beschichtung füllt den Raum 8 zwiεchen den Elektroden 4 und 5 auε.
Die von der Oberfläche 10 des Körperε 1 abgekehrte Oberfläche 42 bzw. 52 der Elektroden 4 und 5 ist bei der angegebenen Herεtellung nicht, wie in der Figur 1 dargeεtellt, eben, εondern weiεt ebenfalls Stufen auf, die in etwa den darge¬ stellten Stufen folgen.
Nicht nur bei dieser Herstellung ist es zweckmäßig, wenn die senkrecht zur Oberfläche 10 des Körpers 1 gemessene Stufen¬ höhe der auf gleicher Höhe bezüglich der Oberfläche 10 lie¬ genden Stufen der beiden Elektroden 4 und 5 gleich sind. Nach Figur 1 haben beispielεweise die Stufen 40 und 50ι_ die gleiche Stufenhöhe al, die Stufen 402 und 502 die gleiche Stufenhöhe a2 und die Stufen 4O3 und 5O3 die gleiche Stufen¬ höhe a3. Die in Figur 1 horizontal gemesεenen Längen der einzelnen Stufen können, insbesondere im Vergleich der beiden Elektroden 4 und 5 zueinander, voneinander verschieden sein.
Das über das Ende 41 der Elektrode 4 in Richtung zur Elek¬ trode 5 hinaus sich erstreckende wesentliche p~-dotierte Gebiet 6 verringert vorteilhafterweise die Feldstärkespitzen, so daß bei gleichem maximalen Abstand des Endeε 41 deε Rand¬ abschnitts 40 der Elektrode 4 von der Oberfläche 10 des Körpers 1 eine höhere Sperrspannung erreicht werden kann als ohne dieses p~-dotierte Gebiet 6, andererseits ist vorteil¬ hafterweise die genaue Dotierungskonzentration der p~-Dotie- rung weniger kritisch, da im p~-dotierten Gebiet 6 fehlende Ladung von der im Bereich des p+-dotierten Gebiets 2 angeord¬ neten Elektrode 4 bis zu einem gewisεen Grad zur Verfügung gestellt wird.
Aus dem in Figur 2 dargeεtellten Diagramm sind die Durch- bruchεpannungen deε pn-Übergangε 23 für verεchiedene Dotie- rungεkonzentrationen der n~-Dotierung deε Körperε 1 auε Halbleitermaterial in Abhängigkeit von verεchiedenen Dotie¬ rungskonzentrationen des n~-dotierten Gebiets 3 entnehmbar. Dabei ist angenommen daß der Körper 1 aus Silizium besteht, die Dotierungskonzentration des p+-dotierten Gebiets 2 gleich 1017 cm~3 biε lO1^ cm-3 und dessen vertikale Dicke bl in
Figur 1 typischerweiεe etwa 6 μm beträgt, die Dotierungskon¬ zentration des n~-dotierten Gebiets 3 im Bereich von 3-1013- cm-3 biε 7-1013 cm-3 liegt, die Dotierungskonzentration des p~-dotierten Gebiets 6 an der Oberfläche 10 deε Körperε 1 im Bereich von lO1^ Cm"3 biε 7-lü1^ Cm~3 liegt und dessen verti¬ kale Dicke b2 in Figur 1 typischerweiεe etwa 6 μm beträgt, die beiden Elektroden 4 und 5 auε Polyεilizium und/oder Metall mit einer typiεchen Dicke von 15 μm bestehen, die Stufenhöhe al gleich 2 μm, die Stufenhöhe a2 gleich 1,5 μm und die Stufenhöhe a3 gleich 4,8 μm beträgt, und die horizon¬ tale Abmessung der gesamten Anordnung in Figur 1 etwa gleich 550 μm ist .
Die Kurven I bis IV in Figur 2 geben der Reihe nach jeweils den Verlauf der Durchbruchεpannung deε pn-Übergangε 23 in
Abhängigkeit von der Dotierungεkonzentration deε p~-dotierten Gebiets 6 an der Oberfläche 10 deε Körperε 1 für die εpeziellen Dotierungεkonzentrationen 6,4-lθl3 cm-3, 4,8-lθl3 cm"3, 3,6-1013 cm-3 bzw. 3,2-1013 cm-3 deε n~-dotierten Ge- bietε 3 an. Die Kurven zeigen jeweilε ein relativ breites
Maximum, welches dafür sorgt, daß der Bereich der Dotierungs- konzentration an der Oberfläche 10 deε p~-dotierten Gebietε 6, in welchem die höchste Durchbruchspannung erreicht wird, relativ breit ist und es deshalb nicht auf eine genaue Dotie- rungskonzentration dieses Gebiets 6 ankommt. Das Maximum der Kurve IV zeigt überdies, daß eine maximale Durchbruchεpannung von annähernd 3,25 kV bei der horizontalen Abmessung der gesamten Anordnung von 550 μm erreicht werden kann.
Das Ausführungsbeiεpiel nach Figur 3 unterεcheidet εich vom Auεführungεbeiεpiel nach Figur 1 nur dadurch, daß das εich vom p+-dotierten Gebiet 2 in Richtung zur Elektrode 5 biε unter den Randabεchnitt 50 dieεer Elektrode 5 erstreckende p~ -dotierte Gebiet 6 zumindest eine Unterbrechung 60 aufweist. Ansonεten ist dieses Ausführungsbeispiel mit dem Beispiel nach Figur 1 identisch.
Vorzugsweise weist beim Beispiel nach Figur 3 das p~-dotierte Gebiet 6 unter dem Randabschnitt 40 der Elektrode 4 und/oder in der Nähe des Endes 41 deε Randbereichε 40 dieser Elektrode 4 eine Unterbrechung 60 auf. Eine Unterbrechung 60 unter dem Ende 41 führt vorteilhafterweise dazu, daß sich der Bereich der Dotierungskonzentration des p~-dotierten Gebiets 6 an der Oberfläche 10, in welchem die höchste Durchbruchspannung erreicht wird, gegenüber dem Vergleichεbeispiel nach Figur 1 verbreitert.
Letzteres ist aus dem Diagramm nach Figur 4 zu erkennen, in welchem der Verlauf der Durchbruchεpannung deε pn-Übergangε 23 für die Dotierungεkonzentrationen 4,8-1013 cm-3 3,6-1013 cm-3 und 3,2-lθl3 cm-3 des n~-dotierten Gebiets 3 in Abhän- gigkeit von verschiedenen Dotierungskonzentrationen des n~- dotierten Gebiets 3 in Kurven II, III bzw. IV aufgetragen sind, wobei ansonεten die gleichen Bedingungen wie bei der Figur 2 zu Grunde liegen. Diese Kurven zeigen im Vergleich zu den entsprechenden Kurven II, III bzw. IV in Figur 2 ein deutlich breiteres Maximum. Das Maximum der Kurve IV in Figur 4 zeigt ebenfalls, daß eine maximale Durchbruchspannung von annähernd 3,25 kV bei der horizontalen Abmeεεung der gesamten Anordnung von 550 μm erreicht werden kann.
Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine herkömmliche Anordnung mit zwei Elektroden 4 und 5, die sich von der erfindungsgemä¬ ßen Anordnung nach Figur 1 oder 3 nur dadurch unterscheidet, daß daε p~-dotierte Gebiet 6 fehlt, anεonεten aber gleich iεt.
In der Figur 6 iεt beiεpielhaft eine herkömmliche Anordnung in JTE-Technik mit einem p~-dotierten Gebiet 6 dargeεtellt, die sich von der erfindungsgemäßen Anordnung nach Figur 1 oder 3 nur dadurch unterscheidet, daß Elektroden 4 und 5 fehlen, ansonsten aber gleich ist.
Das Diagramm nach Figur 7 zeigt in der Kurve IV den Verlauf der Durchbruchspannung des pn-Übergangs 23 der herkömmlichen Anordnung nach Figur 6 für die Dotierungskonzentration 3,2- IO13 cm-3 des n"-dotierten Gebiets 3 in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration des p~-dotierten Gebiets 6 an der Oberfläche 10 des Körpers 1, wobei die horizontale Abmessung der gesamten bekömmlichen Anordnung wiederum 550 μm beträgt. Deutlich ist das über 3 kV liegende Maximum dieser Kurve zu erkennen, das aber im Vergleich zu den entsprechenden Kurven IV in Figur 2 und Figur 4 sehr spitz und schmal ist, so daß der Bereich der Dotierungskonzentration des p~-dotierten
Gebiets 6 an der Oberfläche 10 in welchem die höchste Durch¬ bruchspannung erreicht wird, ungünstigerweise sehr schmal ist.

Claims

97/11495 PC17DE96/0155713 Patentansprüche
1. Anordnung mit einem in einem Körper (1) aus Halbleiterma- terial ausgebildeten pn-Übergang (23) von einem im Körper (1) an dessen Oberfläche (10) ausgebildeten p-dotierten Gebiet (2) zu einem an dieses Gebiet (2) angrenzenden n-dotierten Gebiet (3) des Körpers (1), wobei
- auf der Oberfläche (10) des Körpers (1) - im Bereich des p-dotierten Gebiets (2) eine Elektrode (4) mit einem von der Oberfläche (10) abgeεetzten mehrεtufigen Randabschnitt (40) über einem Umriß (20) des p-dotierten Gebiets (2) an der Oberfläche (10) des Körpers (1) und
- außerhalb deε p-dotierten Gebietε (2) im Bereich deε n- dotierten Gebiets (3) eine Elektrode (5) mit einem dem Rand¬ abschnitt (40) der im Bereich des p-dotierten Gebiets (2) angeordneten Elektrode (4) mit Abstand (d) gegenüberliegenden und von der Oberfläche (10) abgesetzten, mindestens einstufigen Randabschnitt (50) angeordnet ist, und wobei
- zwiεchen dem Randabεchnitt (40) der im Bereich deε p-do¬ tierten Gebietε (2) angeordneten Elektrode (4) und dem Rand¬ abschnitt (50) der außerhalb des p-dotierten Gebietε (2) im Bereich des n-dotierten Gebiets (3) angeordneten Elektrode (5) zumindest ein im Vergleich zum p-dotierten Gebiet (2) schwächer p-dotiertes Gebiet (6) im Körper (1) an deεsen Oberfläche (10) ausgebildet iεt, welches an das n-dotierte Gebiet (3) grenzt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das εchwächer p-dotierte Gebiet (6) unter dem Randabεchnitt (40) der im Bereich deε p- dotierten Gebiets (2) angeordneten Elektrode (4) an das p- dotierte Gebiet (2) grenzt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei sich das schwächer p- dotierte Gebiet (6) kontinuierlich vom p-dotierten Gebiet (2) in Richtung zur außerhalb des p-dotierten Gebietε (2) im. Bereich deε n-dotierten Gebietε (3) angeordneten Elektrode (5) biε unter den Randabεchnitt (50) dieεer Elektrode (5) erεtreckt.
4. Anordnung nach Anspruch 2, wobei εich das schwächer p- dotierte Gebiet (6) vom p-dotierten Gebiet (2) in Richtung zur außerhalb des p-dotierten Gebietε (2) im Bereich deε n- dotierten Gebietε (3) angeordneten Elektrode (5) biε unter den Randabεchnitt (50) dieser Elektrode (5) erstreckt, aber zumindest eine Unterbrechung (60) aufweist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei das εchwächer p-dotierte Gebiet (6) unter dem Randabεchnitt (40) der im Bereich deε p- dotierten Gebiets (2) angeordneten Elektrode (4) eine Unter- brechung (60) aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich eine Unter¬ brechung (60) des schwächer p-dotierten Gebiets (6) in der Nähe eineε von der im Bereich deε p-dotierten Gebietε (2) angeordneten Elektrode (4) abgekehrten Endeε (41) deε Randab- schnitts (40) dieser Elektrode (4) befindet.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die außerhalb des p-dotierten Gebiets (2) im Bereich des n- dotierten Gebiets (3) angeordnete Elektrode (5) im Bereich eineε im Vergleich zum n-dotierten Gebiet (3) εtärker n- dotierten Gebieteε (7) im Körper (1) an deεsen Oberfläche (10) angeordnet ist.
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