DE102016207117A1 - Leistungshalbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleiterbauelements - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleiterbauelement (20, 30) mit einem Halbleitersubstrat (21, 31), das eine erste Dotierung aufweist, einer Epitaxieschicht (22, 32), die auf dem Halbleitersubstrat (21, 31) angeordnet ist und eine zweite Dotierung aufweist und einem ersten Bereich (23a, 33a), der zumindest teilweise von der Epitaxieschicht (22, 32) umgeben ist und eine dritte Dotierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bereich (23d, 33d) vorgesehen ist, der konzentrisch zum ersten Bereich (23a, 33a) angeordnet ist und einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich (23a, 33d) aufweist, wobei sich der zweite Bereich (23d, 33d) bis zu einer Kante des Leistungshalbleiterbauelements (20, 30) erstreckt und eine vierte Dotierung aufweist.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung des Leistungshalbleiterbauelements.
- Planare hochsperrende Leistungshalbleiterbauelemente weisen außerhalb ihrer aktiven Gebiete, d. h. im Randbereich des Leistungshalbleiterchips, eine geringere Durchbruchspannung auf. Dies ist in der Krümmung der dotierten Gebiete am Rand des Leistungshalbleiterchips begründet, die zu einer Feldstärkeerhöhung am Rand des Leistungshalbleiterchips führt, sodass der Leistungshalbleiterchip dort leicht zerstörbar ist. Um eine Zerstörung des Leistungshalbleiterchips bei hohen Sperrspannugen zu vermeiden, sind Strukturen zur Erhöhung der Durchbruchspannung im Randbereich des Leistungshalbleiterchips bekannt. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Kao-Ringe oder Potentialringe, die in der Schrift von Kao YC, Wolley ED, „High voltage planar pn-junctions", IEEE Trans El. Dev. 55. 1409 beschrieben werden. Zusätzlich zu diesen floatend angeordneten Potentialringen ist ein sogenannter Channelstopper vorgesehen, der die Potentialringe und den aktiven Bereich des Leistungshalbleiterbauelements umschließt. Mit Hilfe des Channelstoppers wird eine Ausdehnung der Raumladungszone im Sperrfall zum Chiprand gestoppt, sodass Kristallfehler, die beim Zerteilungsprozess des Leistungshalbleiterwafers entstehen, den Sperrstrom des Leistungshalbleiterchips während dessen Betrieb nicht erhöhen.
- Nachteilig ist hierbei, dass diese Struktur einen hohen Platzbedarf erfordert.
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Platzbedarf der Struktur zu optimieren.
- Offenbarung der Erfindung
- Das Leistungshalbleiterbauelement umfasst ein Halbleitersubstrat, das eine erste Dotierung aufweist. Auf dem Halbleitersubstrat ist eine Epitaxieschicht angeordnet, die eine zweite Dotierung aufweist. Ein erster Bereich ist zumindest teilweise von der Epitaxieschicht umgeben und weist eine dritte Dotierung auf. Erfindungsgemäß ist ein zweiter Bereich vorgesehen, der in einem horizontalen Abstand zum ersten Bereich angeordnet ist. Der zweite Bereich erstreckt sich bis zu einer Kante des Leistungshalbleiterbauelements und weist eine vierte Dotierung auf. Mit anderen Worten der zweite Bereich erstreckt sich bis zu mindestens einer Chipkante.
- Der Vorteil ist hierbei, dass die Herstellung des Leistungshalbleiterbauelements einfach ist.
- In einer Weiterbildung weisen die erste Dotierung und die zweite Dotierung denselben Ladungsträgertyp auf. Sie weisen insbesondere den Ladungsträgertyp n auf.
- In einer weiteren Ausgestaltung weisen die dritte Dotierung und die vierte Dotierung denselben Ladungsträgertyp auf, insbesondere den Ladungsträgertyp p.
- Der Vorteil ist hierbei, dass die Sperrfestigkeit des Leistungshalbleiterbauelements hoch ist.
- In einer Weiterbildung ist zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich mindestens ein weiterer Bereich vorgesehen ist, der konzentrisch zum ersten Bereich angeordnet ist. Der weitere Bereich ist zum ersten Bereich und zum zweiten Bereich horizontal beabstandet angeordnet, wobei der weitere Bereich eine fünfte Dotierung aufweist und die fünfte Dotierung denselben Ladungsträgertyp aufweist wie der erste Bereich und der zweite Bereich.
- Vorteilhaft ist hierbei, dass Schutzringe bzw. Guardringe bzw. Potentialringe auf einfache Weise hergestellt werden können.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements umfasst das Aufbringen einer Epitaxieschicht auf einen Leistungshalbleiterwafer, das Erzeugen eines ersten Bereichs, der zumindest teilweise von der Epitaxieschicht umgeben ist, das Erzeugen eines zweiten Bereichs, der zum ersten Bereich konzentrisch angeordnet ist und einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich aufweist, und das Zerteilen des Leistungshalbleiterwafers, wobei eine Bruchkante des Leistungshalbleiterbauelements im Wesentlichen vertikal durch den zweiten Bereich verläuft.
- Der Vorteil ist hierbei, dass an der Bruchkante keine Kristallstörungen vorliegen, sodass das Leistungshalbleiterbauelement eine hohe Sperrfestigkeit aufweist.
- In einer Weiterbildung erfolgt das Zerteilen mit Hilfe eines Laserstrahls.
- Vorteilhaft ist hierbei, dass beim Zerteilungsprozess keine Kristallfehler im Randbereich des Chips erzeugt werden.
- In einer weiteren Ausgestaltung werden zum Zerteilen des Leistungshalbleiterwafers zeitlich kurze Laserpulse verwendet.
- Vorteilhaft ist hierbei, dass die Weite des zweiten Bereichs klein gewählt werden kann, da kein Platz für einen Channelstopper mehr benötigt wird und kein Materialabtrag beim Trennprozess erfolgt, sodass die komplette Struktur weniger Platz einnimmt.
- Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Leistungshalbleiterbauelement mit Schutzringen bzw. Potentialringen gemäß dem Stand der Technik, -
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leistungshalbleiterbauelements, -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leistungshalbleiterbauelements, -
4 ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements, und -
5 einen Vergleich des Feldverlaufs zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement aus dem Stand der Technik gemäß1 und einem Leistungshalbleiterbauelement gemäß3 mit vier p-dotierten Potentialringen. -
1 zeigt ein Leistungshalbleiterbauelement10 aus dem Stand der Technik an einem Beispiel der 600V-Spannungklasse. Das Leistungshalbleiterbauelement10 umfasst ein hoch n-dotiertes Siliziumsubstrat11 , wobei das Siliziumsubstrat10 eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist. Auf die Vorderseite des Siliziumsubstrats11 ist eine schwach n-dotierte Epitaxieschicht12 aufgebracht, die beispielsweise Silizium umfasst. Sie kann beispielsweise 45 µm dick sein und eine Dotierungskonzentration von 1E14 cm^–3 aufweisen. Die Expitaxieschicht12 weist mehrere p-dotierte Bereiche13a ,13b und13c auf. Diese p-dotierten Bereiche13a ,13b und13c erstrecken sich von der Oberfläche der Epitaxieschicht12 einige Mikrometer ins Innere der Epitaxieschicht12 . Mit anderen Worten die p-dotierten Bereiche13a ,13b und13c sind zumindest teilweise von der Epitaxieschicht12 umgeben. Der p-dotierte Bereich13a umfasst dabei ein aktives Gebiet des Leistungshalbleiterbauelements10 . Die beiden p-dotierten Bereiche13b und13c sind konzentrisch um das aktive Gebiet des Leistungshalbleiterbauelements10 angeordnet und fungieren als Schutzringe. Die beiden p-dotierten Bereiche13b und13c sind horizontal beabstandet zueinander und zum p-dotierten Bereich13a angeordnet. Ein n-dotierter Bereich14 ist konzentrisch in einem horizontalen Abstand zum aktiven Gebiet angeordnet. Der n-dotierte Bereich14 umschließt dabei die p-dotierten Bereiche13b und13c und weist etwa einen horizontalen Abstand zum äußeren Schutzring, d. h. dem p-dotierten Gebiet13c , von 20–40 µm auf. Der n-dotierte Bereich14 fungiert als Channelstopper und weist meist eine geringere Tiefe auf als die p-dotierten Bereiche13a ,13b und13c . Der Channelstopper weist beispielsweise eine Weite zwischen 80–120 µm auf. Eine dielektrische Schicht15 ist auf der Epitaxieschicht12 angeordnet, sodass die p-dotierten Bereiche13b und13c vollständig überdeckt sind. Der p-dotierte Bereich13a und der n-dotierte Bereich14 sind zumindest teilweise von der dielektrischen Schicht15 überdeckt. Der p-dotierte Bereich13a ist zumindest teilweise mit einer ersten Metallschicht16 galvanisch verbunden. Der n-dotierte Bereich14 ist zumindest teilweise mit einer zweiten Metallschicht17 verbunden, die als Stopp gegen Verunreinigungen, z. B. Natriumionen, die im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements von außen in die dieelektrische Schicht15 eindringen können, dient. Auf der Rückseite des Siliziumsubstrats11 ist eine dritte Metallschicht18 angeordnet. - Das Leistungshalbleiterbauelement
10 aus dem Stand der Technik ist eine Diode. Die erste Metallschicht16 fungiert als Anodenanschluss und die dritte Metallschicht18 als Kathodenanschluss. -
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements20 . Das Leistungshalbleiterbauelement20 umfasst ein Halbleitersubstrat21 , insbesondere ein hoch n-dotiertes Siliziumsubstrat. Das Halbleitersubstrat21 weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf. Auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats21 ist eine Epitaxieschicht22 aufgebracht, die insbesondere schwach n-dotiert ist. Die Epitaxieschicht22 weist einen ersten Bereich23a und einen zweiten Bereich23d auf, die sich von der Oberfläche der Epitaxieschicht22 in die Epitaxieschicht22 hinein erstrecken. Der erste Bereich23a und der zweite Bereich23d sind mit demselben Ladungsträgertyp dotiert. Sie weisen insbesondere den Ladungsträgertyp p auf. Der erste Bereich23a umfasst bzw. definiert das aktive Gebiet des Leistungshalbleiterbauelements20 . Der zweite Bereich23d ist konzentrisch um den ersten Bereich23a bzw. das aktive Gebiet angeordnet und weist einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich23a bzw. zum aktiven Gebiet auf. Der erste Bereich23a und der zweite Bereich23d weisen die gleiche Höhe auf. Auf der Epitaxieschicht22 ist eine dielektrische Schicht25 angeordnet, sodass der erste Bereich23a und der zweite Bereich23d zumindest teilweise überdeckt sind. Der erste Bereich23a ist zumindest teilweise mit einer ersten Metallschicht26 galvanisch verbunden. Der zweite Bereich23d ist zumindest teilweise mit einer zweiten Metallschicht27 galvanisch verbunden. Auf der Rückseite des Halbleitersubstrats21 ist eine dritte Metallschicht28 angeordnet. Im Gegensatz zu einer Anordnung gemäß dem Stand der Technik erstreckt sich die Raumladungszone des Leistungshalbleiterbauelements21 bei hohen Sperrspannungen bis zum Chiprand. -
3 weist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements30 auf. Das Leistungshalbleiterbauelement30 umfasst die Merkmale des Leistungshalbleiterbauelements20 aus2 , wobei zwischen dem ersten Bereich33a und dem zweiten Bereich33d mindestens ein weiterer bzw. dritter Bereich33b angeordnet ist. Mit anderen Worten der dritte Bereich entspricht einem weiteren Bereich. Der dritte Bereich33b ist mit demselben Ladungsträgertyp dotiert wie der erste Bereich33a und der zweite Bereich33d . Dieser dritte Bereich33b ist konzentrisch um den ersten Bereich33a bzw. das aktive Gebiet des Leistungshalbleiterbauelements30 angeordnet und weist einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich33a bzw. zum aktiven Gebiet und zum zweiten Bereich33d auf. Der dritte Bereich33b fungiert als Guardring bzw. Potentialring. Zusätzlich kann ein weiterer bzw. vierter Bereich33c konzentrisch in einem Abstand zum dritten dotierten Bereich33b angeordnet sein. Mit anderen Worten auch der vierte Bereich fällt unter den Bergriff weiterer Bereich. Der Abstand zwischen dem dritten Bereich33b und dem vierten Bereich33c beträgt bei der angegebenen Spannungsklasse von 600V beispielsweise zwischen 5 und 20 µm. Die Raumladungszone des Leistungshalbleiterbauelements30 erstreckt sich bis zum Chiprand, sodass sich die Raumladungszone horizontal bis unter den zweiten Bereich33d erstreckt. Das bedeutet, sollte die Raumladungszone den zweiten Bereich33d elektrisch kontaktieren, so nimmt der zweite Bereich33d Sperrspannung auf und erhöht die Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterbauelements30 . Mit anderen Worten, der Channelstopper aus dem Stand der Technik wird durch den zweiten Bereich33d ersetzt, der den gleichen Ladungsträgertyp aufweist wie das aktive Gebiet33a bzw. die bereits vorhandenen Potentialringe33b und33c . - In einem Ausführungsbeispiel, insbesondere der 600V Spannungsklasse weist das Halbleitersubstrat
21 und31 eine Dotierung von mehr als 5E19cm^–3 auf. Die Dotierungskonzentration der Epitaxieschicht22 und32 umfasst 1E14cm^–3 und weist eine Dicke von 45 µm bis 60 µm auf. Die Eindringtiefen der dotierten Bereiche23a ,23c ,33a ,33b ,33c und33d , die an der Oberfläche der Epitaxieschicht angeordnet sind weisen eine Tiefe von 3 bis 4 µm auf. Die dielektrische Schicht15 ,25 und35 weist eine Höhe von 1 µm auf und umfasst beispielsweise Siliziumdioxid. - Oberhalb der dielektrischen Schicht
15 ,25 und35 ist zumindest teilweise eine Passivierungsschicht angeordnet. Sie umfasst ein mit Nitrid abgedecktes Phosphorglas. Die Passivierungsschichten weisen jeweils beispielsweise eine Dicke von 1 µm auf. - Optional weist mindestens ein Potentialring eine Feldplatte auf. Der p-dotierte Bereich des Potentialrings ist dabei galvanisch mit der Feldplatte verbunden.
- Alternativ umfasst das Halbleitersubstrat Siliziumkarbid.
- Alternativ sind die Ladungsträgertypen der dotierten Bereiche vertauscht, das bedeutet die vorhergehend beschriebenen p-dotierten Bereiche sind n-dotiert und umgekehrt.
-
4 zeigt ein Verfahren400 zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements. Das Verfahren400 startet mit dem Aufbringen410 einer Epitaxieschicht auf einen Leistungshalbleiterwafer. In einem folgenden Schritt420 werden ein erster dotierter Bereich erzeugt, der mindestens teilweise von der Epitaxieschicht umgeben ist und ein zweiter dotierter Bereich erzeugt, der mindestens teilweise von der Epitaxieschicht umgeben ist und horizontal beabstandet zum ersten dotierten Bereich angeordnet ist. In einem folgenden Schritt430 wird der Leistungshalbleiterwafer zerteilt, wobei die Bruchkante des Leistungshalbleiterbauelements im Wesentlichen vertikal durch den zweiten dotierten Bereich verläuft, wobei die Bruchkante keine Kristallstörungen aufweist. - Optional erfolgt das Zerteilen
430 mit Hilfe eines Laserstrahls, sodass kein Materialabtrag beim Zerteilen des Leistungshalbleiterwafers erfolgt. Mit anderen Worten der Leistungshalbleiterwafer wird gespalten, sodass nahezu keine Kristallstörungen an der Leistungshalbleiterchipkante entstehen. Das bedeutet im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements, wenn die Raumladungszone an den zweiten Bereich anstößt bzw. diesen kontaktiert, wird der Sperrstrom des Leistungshalbleiterbauelements nicht erhöht. Das bedeutet im Vergleich zu einem Standardsägeprozess werden die Sperrströme innerhalb des Leistungshalbleiterbauelements nach Abschluß des Zerteilungsprozesses deutlich geringer ausfallen. - Alternativ wird ein thermal laser separation Verfahren durchgeführt. Dazu wird der Leistungshalbleiterwafer an jeder Chippostion mit Hilfe eines kurzen ersten Laserpulses „angeritzt“ und danach von einem Laserstrahl überstrichen, der den Wafer entlang dieser Linie punktuell erhitzt und sofort von einem nachfolgenden Gas- oder Aerosolstrahl abgekühlt. Die Kombination aus Druckspannung durch die Erhitzung und Zugspannung durch die lokale Abkühlung führt zur Spaltung des Leistungshalbleiterwafers ohne dass Kristallfehler erzeugt werden.
- In einer weiteren Alternative werden zum Zerteilen des Leistungshalbleiterwafers Laserverfahren verwendet, bei denen die Kristalltemperatur an der Trennstelle unterhalb der Schmelztemperatur bleibt und der Halbleiterkristall nur mechanisch gespalten wird.
- In einer weiteren Alternative werden zum Zerteilen des Leistungshalbleiterwafers Verfahren verwendet, bei denen der Wafer durch die mechanischen Spannungen gespalten wird, die auftreten, wenn er mittels eines Laserstrahls aufgeheizt und sofort nachfolgend mit einem Gasstrahl abgekühlt wird.
- Alternativ können auch andere laserbasierte Trennverfahren, bei denen an der Trennkante keine Kristallstörungen entstehen, Anwendung finden.
- Alternativ können auch mechanische Trennverfahren verwendet werden, bei denen der Wafer beispielsweise mittels einer Diamantspitze, Diamantsäge oder Laserstrahl angeritzt und danach mechanisch gebrochen wird.
- Das Verfahren kann bevorzugt zur Herstellung von planaren Leistungshalbleiterbauelementen wie pn-Dioden, Schottky-Dioden, Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren und IGBTs verwendet werden.
-
5 zeigt den Feldverlauf51 eines Leistungshalbleiterbauelements aus dem Stand der Technik nach1 und den Feldverlauf52 eines erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements nach3 mit vier p-dotierten Potentialringen. Die Einheiten der x- bzw. y-Achse sind µm. Die gezeigten Feldverläufe51 und52 treten beim Sperspannungsdurchbruch auf. Die Epitaxieschicht weist in beiden Fällen eine Dicke von 2,45 µm auf und ist mit 1E14 cm^–2 dotiert. Die Tiefe der p-dotierten Bereiche bzw. des Channelstoppers betragen ungefähr 3,4 µm. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Kao YC, Wolley ED, „High voltage planar pn-junctions“, IEEE Trans El. Dev. 55. 1409 [0002]
Claims (7)
- Leistungshalbleiterbauelement (
20 ,30 ) mit • einem Halbleitersubstrat (21 ,31 ), das eine erste Dotierung aufweist, • einer Epitaxieschicht (22 ,32 ), die auf dem Halbleitersubstrat (21 ,31 ) angeordnet ist und eine zweite Dotierung aufweist und • einem ersten Bereich (23a ,33a ), der zumindest teilweise von der Epitaxieschicht (22 ,32 ) umgeben ist und eine dritte Dotierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bereich (23d ,33d ) vorgesehen ist, der konzentrisch zum ersten Bereich (23a ,33a ) angeordnet ist und einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich (23a ,33d ) aufweist, wobei sich der zweite Bereich (23d ,33d ) bis zu einer Kante des Leistungshalbleiterbauelements (20 ,30 ) erstreckt und eine vierte Dotierung aufweist. - Leistungshalbleiterbauelement (
20 ,30 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dotierung und die zweite Dotierung denselben Ladungsträgertyp aufweisen, insbesondere den Ladungsträgertyp n. - Leistungshalbleiterbauelement (
20 ,30 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Dotierung und die vierte Dotierung denselben Ladungsträgertyp aufweisen, insbesondere den Ladungsträgertyp p. - Leistungshalbleiterbauelement (
20 ,30 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bereich (23a ,33a ) und dem zweiten Bereich (23d ,33d ) mindestens ein weiterer Bereich (33b ) vorgesehen ist, wobei der weitere Bereich (33b ) konzentrisch um den ersten Bereich (23a ,33a ) angeordnet ist und jeweils einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich (23a ,33a ) und zum zweiten Bereich (23d ,33d ) aufweist, wobei der weitere Bereich (33b ) eine fünfte Dotierung aufweist, wobei die fünfte Dotierung denselben Ladungsträgertyp aufweist wie der erste Bereich (23a ,33a ) und der zweite Bereich (23b ,33b ). - Verfahren (
400 ) zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements (20 ,30 ) mit den Schritten • Aufbringen (410 ) einer Epitaxieschicht auf einen Leistungshalbleiterwafer, • Erzeugen (420 ) eines ersten dotierten Bereichs, der zumindest teilweise von der Epitaxieschicht umgeben ist, wobei der erste dotierte Bereich insbesondere p-dotiert ist, und Erzeugen eines zweiten Bereichs, der konzentrisch zum ersten Bereich angeordnet ist und einen horizontalen Abstand zum ersten Bereich aufweist, wobei der zweite dotierte Bereich insbesondere p-dotiert ist, und • ein Zerteilen (430 ) des Leistungshalbleiterwafers, wobei eine Bruchkante des Leistungshalbleiterbauelements im Wesentlichen vertikal durch den zweiten Bereich verläuft. - Verfahren (
400 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerteilen (430 ) mit Hilfe eines Laserstrahls erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zerteilen (
400 ) des Leistungshalbleiterwafers zeitlich kurze Laserpulse verwendet werden.
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