DE19857673C1 - Leistungshalbleiterbauelement mit Randabschluß - Google Patents

Leistungshalbleiterbauelement mit Randabschluß

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Abstract

Symmetrisch sperrendes Leistungshalbleiterbauelement, bei dem zwischen dem pn-Übergang für Sperrung in Vorwärtsrichtung, der durch einen ersten Basisbereich (1) und einen zweiten Basisbereich (3) gebildet wird, und einem pn-Übergang für Sperrung in Rückwärtsrichtung, der an einer Chipkante von dem ersten Basisbereich (1) und einem Randbereich (30) gebildet wird, eine Driftzone (11) ausgebildet ist, die schwach für elektrische Leitung des zur Grunddotierung des ersten Basisbereiches (1) entgegengesetzten Vorzeichen dotiert ist. Damit wird erreicht, daß in beiden Sperrichtungen das elektrische Feld im selben Flächenbereich der Chipoberfläche austritt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Bauelement ist z. B. aus der GB 2303965 A bekannt.
Bei bidirektional sperrenden Leistungshalbleiterbauelementen werden die Randabschlüsse der sperrenden pn-Übergänge vor­ zugsweise auf derselben Oberseite des Halbleiterkörpers ange­ bracht. Ein erster pn-Übergang zur Spannungsaufnahme in Vor­ wärtsrichtung befindet sich üblicherweise nahe der Chipober­ seite. Zur Spannungsaufnahme in Rückwärtsrichtung befindet sich ein zweiter pn-Übergang nahe der Chip-Unterseite. Der untere pn-Übergang kann sich auch nahe einer Grenze zwischen einer Epitaxieschicht und einem Halbleitersubstrat im Inneren des Chips befinden. Es kann sich jeweils um ein Einzelhalb­ leiterbauelement handeln, bei dem ein erster Hauptstromkon­ takt auf der Oberseite und ein zweiter Hauptstromkontakt auf der Rückseite des Chips vorhanden ist. Ein solches Bauelement kann aber auch in einem Leistungs-IC integriert sein.
In der EP 0 332 955 A2 ist ein Thyristor mit hoher positiver und negativer Sperrfähigkeit beschrieben, bei dem der nahe der Unterseite des Bauelementes vorhandene pn-Übergang durch den Halbleiterkörper und einen ganzflächig vorhandenen Bereich dazu entgegengesetzten Vorzeichens der Leitfähigkeit gebildet ist. Dieser Bereich entgegengesetzter Leitfähigkeit ist mit einem entsprechend dotierten Bereich auf der Bauelementoberseite über eine seitliche dotierte Zone elektrisch leitend verbunden, so daß die Randabschlüsse dieses Bauele­ mentes für Sperrung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung beide auf der Oberseite des Chips vorhanden sind. Die beiden pn- Übergänge zur Grunddotierung des Halbleiterkörpers hin sind zu der Oberseite des Halbleiterkörpers geführt. Zwischen die­ sen Grenzflächen befindet sich vorzugsweise ein dotierter Bereich, der dasselbe Vorzeichen der Leitfähigkeit wie die Grunddotierung aufweist aber höher dotiert ist und der die Ausweitung der Raumladungszonen an der Oberseite des Bauelementes so begrenzt, daß die Ausläufer der pn-Übergänge in einem geringeren Abstand zueinander ange­ ordnet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein bidirektional sperrendes Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, das bei verringertem Flächenbedarf so ausgelegt werden kann, daß in beiden Richtungen die gleiche Spannungsfestigkeit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.
Gemäß dem Prinzip der Erfindung verfügt das Bauelement dabei über eine Struktur der Randabschlüsse, die so beschaffen ist, daß der Flächenbe­ darf verringert wird, indem sowohl bei Spannungsbelastung in Vorwärtsrichtung als auch bei Spannungsbelastung in Rück­ wärtsrichtung der gleiche Bereich der Chipoberfläche zum Aus­ tritt der Äquipotentialflächen aus dem Chip benutzt wird. Zu diesem Zweck ist der für das Sperren in Rückwärtsrichtung vorgesehene Randabschluß auf der Oberseite des Chips angeord­ net, indem der den rückseitigen pn-Übergang bildende dotierte (eindiffundierte) Bereich über leitfähig dotierte Bereiche am Rand des Bauelementes mit einem Bereich entsprechenden Vor­ zeichens an der oberen Kante des Bauelementes elektrisch lei­ tend verbunden ist. Zwischen dem pn-Übergang für Sperrung in Vorwärtsrichtung und dem wie beschrieben an die obere Kante gezogenen pn-Übergang für Rückwärtssperrung ist eine davon jeweils in geringem Abstand angeordnete Driftzone vorhanden, die lateral gleichmäßig dotiert ist und so schwach dotiert ist, daß bereits bei geringer Spannungsbelastung alle freien Ladungsträger daraus entfernt sind. Aufgabe dieser Driftzone ist es, zu verhindern, daß die Grunddotierung des Halbleiter­ körpers dem elektrischen Feld an der Oberfläche einen drei­ eckförmigen Verlauf aufprägt. Letzteres hat bei herkömmlichen Bauelementen seine Ursache darin, daß die Grunddotierung des Halbleiterkörpers so gewählt wird, daß sich in senkrechter Richtung in dem Halbleiterkörper eine dreiecksförmige, nicht an die jeweilige gegenüberliegende Hauptseite anstoßende Feldverteilung ergibt. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement wird dagegen vermieden, daß sich entlang der Oberfläche eine dreiecksförmige Feldverteilung mit dem Maximum an dem jeweils betreffenden pn-Übergang ausbildet. Außerdem ist nicht erfor­ derlich, daß die aus dem Halbleiterkörper an die Oberfläche tretende Raumladungszone für Vorwärts- und Rückwärtssperrbe­ lastung jeweils einen eigenen Oberflächenbereich beansprucht. Bei der Randabschlußstruktur der vorliegenden Erfindung wird sowohl bei Spannungsbelastung in Vorwärtsrichtung als auch bei Spannungsbelastung in Rückwärtsrichtung derselbe Oberflä­ chenbereich des Halbleiterchips zum Austritt der Äquipotenti­ alflächen aus dem Halbleiterkörper benutzt.
Es folgt eine genauere Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauelementes anhand des in der Figur dargestellten Quer­ schnitts eines bevorzugten Ausführungsbeispieles.
Bei dem in der Figur dargestellten Bauelement befinden sich zwischen zwei Hauptseiten des Chips in vertikaler Richtung übereinander vier Bereiche wechselnden Vorzeichens der elek­ trischen Leitfähigkeit. Ein erster Basisbereich 1 besitzt die Grunddotierung des Halbleiterkörpers, vorzugsweise eine schwache n-leitende Dotierung. Ein zweiter Basisbereich 3 entgegengesetzten Vorzeichens ist vorzugsweise als Wanne in dem Halbleiterkörper ausgebildet. Darin eingebettet ist ein weiterer Bereich 4, der das Vorzeichen der Leitfä­ higkeit der Grunddotierung besitzt aber höher dotiert ist. Auf der Unterseite des Halbleiterkörpers befindet sich ein weiterer dotierter Bereich 2 mit dem Vorzeichen der Leitfähigkeit des zweiten Basisbereiches. Der unterste Bereich 2 ist bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel mit einem Drain-Kontakt 7 versehen. Wird das Bauelement im Rahmen einer IC-Technologie integriert, wird ein separater Kontakt auf der Unterseite nicht benötigt; der Drain-Kontakt befindet sich dann auf der Oberseite des Chips. Der oberste Bereich 4 ist mit einem Source-Kontakt 6 verse­ hen, der auch den zweiten Basisbereich 3 kontaktiert. Der zweite Basisbereich 3 reicht bis an die betreffende Hauptsei­ te des Halbleiterkörpers heran. Zur Steuerung eines an dieser Oberfläche auszubildenden Kanals ist von dem Halbleitermate­ rial elektrisch isoliert eine Gate-Elektrode 5 angebracht. An einem Rand des Bauelementes, d. h. an einem Rand des Halblei­ terkörpers oder einem Randbereich eines in einen IC inte­ grierten Bauelementes ist ein dotierter Randbereich 30 an der Oberseite des Bauelementes vorhanden. Dieser dotierte Randbereich 30 hat dasselbe Vorzeichen der Leitfähigkeit wie der mit dem Drain-Kontakt versehene Bereich 2 und ist mit diesem Be­ reich über einen ebenfalls dieses Vorzeichen der Leitfähigkeit aufweisenden, dotierten Seitenbereich 8 elektrisch leitend verbunden. Die beschriebe­ ne Struktur entspricht einem MOS-gesteuerten, bidirektional sperrenden Leistungsschalter, z. B. einem bidirektional sper­ renden IGBT.
Diese im Prinzip aus der EP 0 332 955 A2 bekannte Struktur einschließlich der dem Fachmann geläufigen Abwandlungen ist erfindungsgemäß mit einer Driftzone 11 derart modifiziert, daß die eingangs beschriebenen Vorteile erreicht werden. Die­ se Driftzone 11 hat das Vorzeichen der elektrischen Leit­ fähigkeit des zweiten Basisbereiches 3 und des Randbereiches 30 und ist so schwach dotiert, daß schon bei geringer anliegender Po­ tentialdifferenz zwischen Source und Drain alle freien Ladungsträger aus dieser Drift­ zone entfernt sind. Typischerweise darf hierzu die in senk­ rechter Richtung über der Driftzone aufintegrierte Konzentra­ tion an Dotierstoffatomen den Wert von ca. 1012 cm-2 nicht überschreiten. Die Driftzone 11 soll zwar möglichst nahe an den zweiten Basisbereich 3 und den Randbereich 30 heranrei­ chen, darf jedoch nicht mit diesen Bereichen überlappen, da dann ein leitender Strompfad zwischen dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt vorhanden wäre, der diese Kontakte kurz­ schließt. In der in der Zeichnung lateralen Richtung ist die Dotierung der Driftzone 11 vorzugsweise konstant gewählt. Falls in dieser lateralen Richtung eine Variation der Konzen­ tration des Dotierstoffes vorhanden wäre, würde dies zwar die Sperrfähigkeit in einer Richtung verbessern, in der anderen Richtung jedoch reduzieren. Mit dem erfindungsgemäßen Bauele­ ment ist eine weitestgehend gleiche Spannungsfestigkeit in beiden Richtungen mit einer gleichmäßigen Verteilung des Do­ tierstoffes in der Driftzone gewährleistet.
Eine weitere Verbesserung des Bauelementes wird erreicht, wenn über dem Halbleiterkörper, vorzugsweise in einer dielek­ trischen Schicht 9, flächig ausgebildete elektrische Leiter 10 eingebettet sind, die als nicht angeschlossene (floating) Feldplatten fungieren. Es können mehrere Schichtebenen derar­ tiger Leiter vorhanden sein. Um eine ausreichend symmetrische Sperrfähigkeit zu garantieren, werden diese flächig ausgebil­ deten Leiter in jeder vorhandenen Schichtebene in gleichblei­ benden Abständen zueinander angeordnet.
Die Vorzeichen der Dotierung sind vorzugsweise so gewählt, daß der erste Basisbereich 1 eine schwach n-leitende Grunddo­ tierung des Halbleiterkörpers aufweist. Die Driftzone 11 ist dann schwach p-leitend dotiert, während der zweite Basisbe­ reich 3 und der Randbereich 30 p-leitend dotiert sind. Die mit dem Source-Kontakt und dem Drain-Kontakt versehenen Be­ reiche sind vorzugsweise höher dotiert, um einen guten Me­ tall-Halbleiterkontakt zu bewirken.
Die Sperrfähigkeit der Randstruktur entspricht der des von den beiden oberflächennahen pn-Übergängen und dem n--leitend dotierten ersten Basisbereich entlang der oberen Hauptseite des Halbleiterkörpers gebildeten pnp-Transistors, dessen Basis (erster Basisbereich 1) nicht angeschlossen ist. Durch den Verstärkungsfaktor dieses Transistors kann die Durchbruchspannung gegenüber der des isolierten sperrenden pn-Übergangs auf der Rückseite des Bauelementes deutlich re­ duziert sein. Um das zu verhindern, wird in dem Randbereich 30 vorzugsweise ein weiterer Bereich 40 dazu entgegengesetz­ ten Vorzeichens der Leitfähigkeit ausgebildet, der so in den Randbereich 30 eingebettet ist, daß er zusammen mit dem Rand­ bereich mit einem weiteren Source-Kontakt 60 kontaktiert wer­ den kann und daß über einem bis an die Oberseite des Halblei­ termateriales reichenden Anteil des Randbereiches 30, der zur Ausbildung eines Kanals vorgesehen ist, eine weitere Gate- Elektrode 50 angeordnet werden kann. Es ist dann am Rand eine weitere MOS-Zelle mit einem Source-Bereich 40 und einem in dem Randbereich 30 mittels der Gate-Elektrode 50 steuerbaren Kanal vorhanden. Zur Erzielung der vollen Vorwärtssperrfähig­ keit wird der Kanal der am Rand vorhandenen MOS-Zelle durch Anlegen einer geeigneten Gate-Spannung eingeschaltet, während bei Rückwärtssperrung der Kanal am in der Figur links einge­ zeichneten pn-Übergang eingeschaltet wird.
Die als Feldplatten fungierenden Leiter lassen sich z. B. aus Polysilizium oder Leiterbahnen aus Aluminium herstellen, die über einem Feldoxid bzw. Feldzwischenoxid angeordnet werden, wie es bei der Herstellung integrierter Schaltungen üblicher­ weise zur elektrischen Isolation der Metallisierungsebenen ohnehin auf das Halbleitermaterial aufgebracht wird. Ledig­ lich für die Ausbildung der Driftzone ist ein zusätzlicher Prozeßschritt mittels Phototechnik und Implantation erforder­ lich, der z. B. vor der Feldoxidation im Fall eines Halblei­ terkörpers aus Silizium vorgenommen werden kann. Die nicht angeschlossenen Leiter 10 bilden einen kapazitiven Spannungs­ teiler, der dem Potential entlang der Oberseite des Chips ei­ nen näherungsweise linearen Verlauf aufprägen soll. Die Feld­ platten können daher ersetzt sein beispielsweise durch Feld­ ringe, die an einen ohmschen Spannungsteiler angeschlossen werden, oder durch eine hochohmig leitende Schicht (z. B. aus amorphem Silizium oder ähnlichem) über der ansonsten frei ge­ lassenen Oberfläche der Driftzone 11. Die Feldplatten sind daher nur eine wegen der einfachen Realisierbarkeit besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelementes.
Die Driftzone 11 kann in der in der Figur lateralen Richtung zwischen zweitem Basisbereich 3 und Randbereich 30 einmal oder mehrmals unterbrochen sein. Zwischen den einzelnen An­ teilen der Driftzone befindet sich dann Halbleitermaterial der Grunddotierung, wie sie der erste Basisbereich 1 auf­ weist. Mit einer derart unterbrochenen Driftzone 11 läßt sich gegebenenfalls eine weitere Optimierung der Eigenschaften des Bauelementes erreichen.

Claims (6)

1. Bauelement mit einem Halbleiterkörper,
in dem zwischen zwei Hauptseiten übereinander vier dotierte Bereiche (1, 2, 3, 4) wechselnden Vorzeichens der Leitfähig­ keit ausgebildet sind, von denen
ein Bereich als erster Basisbereich (1) eine niedrige Grund­ dotierung des Halbleiterkörpers ausweist,
ein weiterer Bereich dazu entgegengesetzten Vorzeichens der Leitfähigkeit als zweiter Basisbereich (3) bis an eine der Hauptseiten heranreichend ausgebildet und derart mit einer an dieser Hauptseite vorhandenen Gate-Elektrode (5) versehen ist, daß ein in dem zweiten Basisbereich ausgebildeter Kanal gesteuert werden kann,
ein weiterer Bereich (4) an dieser Hauptseite vorhanden und mit einem Source-Kontakt (6), der auch den zweiten Basisbe­ reich (3) kontaktiert und auf derselben Hauptseite wie die Gate-Elektrode angebracht ist, versehen ist und
der vierte Bereich (2) auf der von dem zweiten Basisbereich (3) abgewandten Seite des ersten Basisbereiches (1) angeord­ net ist und mit einem Drain-Kontakt (7) versehen ist, und in dem an einem Rand an der mit der Gate-Elektrode versehenen Hauptseite ein dotierter Randbereich (30) desselben Vorzei­ chens der Leitfähigkeit wie der zweite Basisbereich ausgebil­ det ist, der mit dem vierten Bereich (2) über einen an dem betreffenden Rand vorhandenen dotierten Seitenbereich (8) desselben Vorzeichens der Leitfähigkeit elektrisch leitend verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem zweiten Basisbereich (3) und dem Randbereich (30) und in einem jeweiligen Abstand zu diesen Bereichen an der betreffenden Hauptseite des Halbleiterkörpers eine do­ tierte Driftzone (11) desselben Vorzeichens der Leitfähigkeit ausgebildet ist, die so schwach dotiert ist, daß schon bei geringer anliegender Potentialdifferenz zwischen Source und Drain alle freien Ladungsträger aus dieser Driftzone entfernt sind und daß
das Integral der Konzentration an Dotierstoffatomen in der Driftzone in Richtung senkrecht zu der betreffenden Hauptseite überall höchstens 1012 cm-2 beträgt.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Driftzone in Ebenen parallel zu der betreffenden Hauptseite eine konstante Konzentration an Dotierstoffatomen aufweist.
3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Driftzone in der Richtung von dem zweiten Basis­ bereich (3) zu dem Randbereich (30) mindestens einmal von Halbleitermaterial entgegengesetzten Vorzeichens der Leitfä­ higkeit unterbrochen ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem der Randbereich (30) bis an die betreffende Hauptsei­ te heranreichend ausgebildet und derart mit einer an dieser Hauptseite vorhandenen weiteren Gate-Elektrode (50) versehen ist, daß ein in dem Randbereich ausgebildeter Kanal gesteuert werden kann, und
bei dem in dem Randbereich (30) ein weiterer Randbereich (40) entgegengesetzten Vorzeichens der Leitfähigkeit ausgebildet und mit einem weiteren Source-Kontakt (60) versehen ist, der auch den Randbereich (30) kontaktiert.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem an der mit der Driftzone (11) versehenen Hauptseite über dem Halbleiterkörper eine dielektrische Schicht (9) mit mindestens einer Schichtebene darin eingebetteter flächig ausgebildeter elektrischer Leiter (10) vorhanden ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die in einer Schichtebene angeordneten Leiter (10) von dem zweiten Basisbereich (3) bis zu dem Randbereich (30) hin in gleichbleibenden Abständen zueinander angeordnet sind.
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