Eine
derartige Bauelementstruktur mit einem Halbleiterübergang
in der Innenzone findet sich sowohl bei bipolaren Bauelementen,
wie Dioden, Bipolartransistoren und IGBT als auch bei unipolaren Bauelementen,
wie MOSFET. Diese Bauelemente unterscheiden sich zwar bezüglich ihres
Verhaltens in leitend angesteuertem Zustand, im sperrenden Zustand
ist diesen Bauelementen jedoch gemeinsam, dass sich ausgehend von
dem sperrend gepolten Halbleiterübergang
mit zunehmender Sperrspannung eine Raumladungszone ausbreitet.
Ohne
zusätzliche
Maßnahmen
ist bei derartigen Bauelementen bekanntlich die Spannungsfestigkeit
in der Randzone geringer als in der Innenzone. Um die Spannungsfestigkeit
im Randbereich zu erhöhen
und dadurch bei Erreichen einer maximalen Sperrspannung einen Spannungsdurchbruch
in der flächenmäßig größeren Innenzone
zu erreichen sind unterschiedlichste Randabschlüsse bekannt. Bei derartigen
Randabschlüssen,
die ausführlich
in Baliga: "Power
Semiconductor Devices",
PWS Publishing, 1995, Seiten 81 bis 110, beschrieben sind, unterscheidet
man Planare Randabschlüsse,
die beispielsweise sogenannte dotierte Feldringe um die Innenzone
oder Feldplatten oberhalb der Seiten des Halbleiterkörpers umfassen,
und abge schrägte Randabschlüsse, die
durch Abschrägen
des Randes gebildet sind. Planare und abgeschrägte Abschlüsse können kombiniert werden.
Aufgabe
der Randabschlüsse
ist es dabei, bei Anliegen einer Sperrspannung die Krümmung des
Feldlinienverlaufes im Randbereich zu reduzieren und die auftretenden
Feldstärken
im Randbereich gegenüber
den auftretenden Feldstärken
im Innenbereich zu reduzieren. Besonders planare Randabschlüsse, die
gegenüber
abgeschrägten
Abschlüssen
den Vorteil besitzen, dass sie mittels herkömmlicher Dotierungs- und Abscheideschritte
herstellbar sind, sind allerdings sehr platzaufwendig. Das heißt, sie
erfordern zwischen der für
aktive Bauelementbereiche genutzten Innenzone und dem Rand eine
breite Randzone, wodurch ein nicht unerheblicher Teil der Chipfläche nicht
für aktive
Bauelementbereiche zur Verfügung
steht.
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein vertikales Halbleiterbauelement
mit einem platzsparenden Randabschluss zur Verfügung zu stellen. Dieses Ziel
wird durch Bauelemente gemäß der Merkmale
der Ansprüche
1 und 12 erreicht.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
umfasst einen Halbleiterkörper
mit einer ersten und zweiten Seite und einem Rand, sowie einer Innenzone
und einer zwischen der Innenzonen und dem Rand angeordneten Randzone.
Der Halbleiterkörper
umfasst eine erste Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps in der
Innenzone und der Randzone sowie wenigstens eine zweite Halbleiterzone
eines zweiten Leitungstyps in der Innenzone, wobei zwischen der
ersten und zweiten Halbleiterzone ein Halbleiterübergang in der Innenzone gebildet
ist.
In
der Randzone umfasst das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement wenigstens
einen Graben, der sich ausgehend von einer der Seiten in den Halbleiterkörper hinein
erstreckt, wobei der Halbleiterkörper
in dem Graben mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt
ist. Außerdem
ist wenigstens eine dritte Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps, benachbart
zu dem Graben in der ersten Halbleiterzone angeordnet.
Der
wenigstens eine Graben mit der Isolationsschicht und der wenigstens
einen dritten Zonen bildet einen in lateraler Richtung, also in
Richtung von der Innenzone zum Rand, platzsparenden Randabschluss.
Bei Anlegen einer Sperrspannung breitet sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement
eine Raumladungszone ausgehend von der zweiten Halbleiterzone in
Richtung des Randes nur bis zu dem Graben mit der Isolationsschicht
und dann entlang der Grabenseitenwand mit der wenigstens einen dritten
Halbleiterzone aus. Diese wenigstens eine dritte Halbleiterzone
umschließt
die Innenzone vorzugsweise ringartig und funktioniert nach Art eines
Feldringes. Das Vorsehen des mit der Isolationsschicht bedeckten
Grabens ermöglicht
es – anders
als bei bekannten Bauelementen – weiter
von der Oberfläche
beabstandete Halbleiterzonen des Randbereiches für die Aufnahme der Raumladungszone
zu nutzen, wodurch die Abmessungen der Randzone in lateraler Richtung
erheblich reduziert werden können.
Für die spezielle
Ausgestaltung des Grabens, die Lage der dritten Halbleiterzone bezüglich des
Grabens, sowie für
die Anzahl der dritten Halbleiterzonen bestehen eine Vielzahl unterschiedlicher Gestaltungsmöglichkeiten.
Diese
dritte Halbleiterzone kann wenigstens abschnittsweise unterhalb
des Grabens angeordnet sein und/oder an der der Innenzone zugewandten Seite
des Grabens in der Randzone angeordnet sein. Bei der einfachsten
Ausführungsform
ist nur eine dritte Halbleiterzone unterhalb des Grabens oder nur eine
dritte Halbleiterzone an der der Innenzone zugewandten Seite des
Grabens angeordnet.
Die
wenigstens eine dritte Halbleiterzone befindet sich vorzugsweise
unmittelbar unterhalb der Oberfläche
des Halbleiterkörpers,
ausgehend von der sich der Graben in den Halbleiterkörper hinein
erstreckt, kann jedoch auch beabstandet zu dieser Oberfläche angeordnet
sein.
Außerdem besteht
die Möglichkeit,
die wenigstens eine dritte Halbleiterzone an der dem Rand zugewandten
Seite des Grabens anzuordnen.
Wie
erläutert,
können
die unterhalb oder seitlich des wenigstens einen Grabens angeordneten dritten
Halbleiterzonen beliebig kombiniert werden.
Bei
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Graben wenigstens in Richtung der Innenzone
eine abgestufte Seitenwand mit wenigstens einer Stufe aufweist,
wobei eine dritte Halbleiterzone vorzugsweise unterhalb dieser Stufe
ausgebildet ist. Bei mehreren Stufen sind dritte Halbleiterzonen
vorzugsweise unter allen Stufen des Grabens angeordnet.
Der
wenigstens eine Graben umschließt
die Innenzone vorzugsweise ringförmig.
Bei
einer Ausführungsform
sind mehrere beabstandet zueinander angeordnete Gräben um die Innenzone
angeordnet, von denen wenigstens einer die Innenzone vorzugsweise
ringförmig
umschließt.
Der
erfindungsgemäße Randabschluss
mit einem Graben, in dem eine Isolationsschicht angeordnet ist,
und mit der benachbart zu dem Graben angeordneten wenigstens einen
Feldringzone ist auf beliebige vertikale Bauelemente anwendbar,
die eine Innenzone mit einem pn-Übergang
und eine Randzone aufweisen, also beispielsweise auf Dioden, Bipolartransistoren,
MOSFET, IGBT oder Thyristoren. Die erste Zone, des ersten Leitungstyps
bildet dabei üblicherweise
die Driftzone, auf die auf der zu der zweiten Halbleiterzone gegenüberliegenden
Seite eine stärker
dotierte vierte Halbleiterzone aufgebracht ist. Diese vierte Halbleiterzone
ist bei Dioden und MOSFET vom selben Leitungstyps wie die Driftzone
und bei IGBT komplementär
zu der Driftzone dotiert.
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Graben mit der Isolationsschicht
in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers bis in diese stärker als
die Driftzone dotierte vierte Halbleiterzone erstreckt.
Das
Bauelement kann insbesondere als Kompensationsbauelement ausgebildet
sein, bei dem in ersten Halbleiterzone (der Driftzone) abwechselnd
jeweils komplementär
dotierte Halbleiterzonen angeordnet sind.
Das
oben genannte Ziel wird weiterhin durch ein Halbleiterbauelement
gelöst,
das einen Halbleiterkörper
umfasst, der eine erste und zweite Seite und einen Rand, sowie eine
Innenzone und eine zwischen der Innenzone und dem Rand angeordnete Randzone
aufweist und der eine erste Halbleiterzone eines ersten Leitungstyps
in der Innenzone und der Randzone und wenigstens eine zweite Halbleiterzone
eines zweiten Leitungstyps aufweist, wobei zwischen der ersten und
zweiten Halbleiterzone ein Halbleiterübergang in der Innenzone gebildet
ist. Dieses Bauelement weist weiterhin eine auf den Rand aufgebrachte
elektrisch isolierende Schicht und wenigstens eine in der Randzone
angeordnete, sich an den Rand anschließende dritte Halbleiterzone
des zweiten Leistungstyps auf.
Auch
bei diesem Bauelement schließt
sich an die erste Halbleiterzone vorzugsweise eine stärker als
die erste Halbleiterzone dotierte Schicht des ersten oder zweiten
Leitungstyps an, wobei der Rand im Bereich dieser stärker dotierten
Zone vorzugsweise eine Stufe aufweist.
Selbstverständlich kann
auch dieses Bauelement als Kompensationsbauelement mit in der Driftzone
abwechselnd angeordneten Zonen des ersten und zweiten Leistungstyps
ausgebildet sein. Außerdem
kann auch dieses Bauelement als Diode, Bipolartransistor, MOSFET
oder Thyristor ausgebildet sein.
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
1 ein als Diode ausgebildetes
Halbleiterbauelement mit einem Randbereich, in dem ein mit einem
Isolationsmaterial aufgefüllter
Graben angeordnet ist, und mit komplementär zu der Driftzone dotierten
Halbleiterzonen im Bereich des Grabens,
2 ein als Diode ausgebildetes
erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement
mit mehreren Gräben
im Randbereich, die mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt sind,
3 ein weiteres als Diode
ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement
mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss,
4 ein als Diode ausgebildetes
Halbleiterbauelement mit einem Graben im Randbereich und mit mehreren
Feldringen im Bereich einer Seite des Halbleiterkörpers,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Randabschlusses
mit einem Graben im Randbereich des Bauelements und einer Feldstoppzone
am Rand,
6 einen weiteren erfindungsgemäßen Randabschluss,
bei dem der Graben bis in eine sich an die Driftzone anschließende stärker dotierte
Halbleiterzone reicht,
7 einen weiteren erfindungsgemäßen Randabschluss,
bei dem eine Halbleiterzone eines Innenbereiches bis an den Graben
im Randbereich reicht,
8 ein als MOSFET ausgebildetes
Halbleiterbauelement mit einer erfindungsgemäßen Randstruktur,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Randabschlusses
mit einem stufenförmig
ausgebildeten Graben,
10 ein MOSFET mit einer
Kompensationsstruktur in der Drifzone und einer erfindungsgemäßen Randstruktur,
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Randabschlusses,
12 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Randabschlusses
mit einer oberhalb des Halbleiterkörpers angeordneten Feldplatte,
13 ein als Diode ausgebildetes
Halbleiterbauelement mit einem abgestuften Rand und einer unmittelbar
auf den Rand aufgebrachten Isolationsschicht und einer komplementär zu der
Driftzone dotierten, sich an die Isolationsschicht anschließenden Halbleiterzone,
14 ein als Kompensationsbauelement ausgebildeter
MOSFET mit einem Randabschluss gemäß 13,
15 einen Querschnitt durch
das Bauelement gemäß der 1 bei einer ersten Ausführungsform,
16 einen Querschnitt durch
das Bauelement gemäß 2 bei einer zweiten Ausführungsform.
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleich Teile und Halbleiterbereiche mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt ausschnittsweise
ein als Diode ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in
Seitenansicht in Querschnitt. Das Bauelement umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit
einer Vorderseite 101 und einer Rückseite 102, die erste und
zweite Seiten des Halbleiterkörpers 100 bilden, sowie
mit einem Rand 105. Der Halbleiterkörper 100 ist unterteilt
in eine Innenzone 103 und eine zwischen der Innenzone 103 und
dem Rand angeordnete Randzone 104. Die Innenzone 103,
die flächenmäßig üblicherweise
den größten Teil
des Halbleiterkörpers 100 einnimmt,
dient zur Realisierung aktiver Bauelementstrukturen, in dem dargestellten
Beispiel zur Realisierung einer Diode, während im Randbereich 104 noch
zu erläuternde
Maßnahmen
zur Steigerung der Spannungsfestigkeit getroffen sind. Das Bauelement umfasst
eine in dem Beispiel n-dotierte erste Halbleiterzone 20,
die die Driftzone des Bauelements bildet und die sowohl in der Innenzone 103 als
auch in der Randzone 104 angeordnet ist, und eine in der
Innenzone 103 im Bereich der Vorderseite 101 angeordnete
pdotierte zweite Halbleiterzone 30, wobei im Innenbereich 103 zwischen
der ersten Halbleiterzone 20 und der zweiten Halbleiterzone 30 ein
pn-Übergang
gebildet ist.
Die
p-dotierte zweite Halbleiterzone 30 bildet die Anodenzone
der in 1 dargestellten
Diode. Rückseitig
schließt
sich an die Driftzone 20 eine stärker als die Driftzone 20 dotierte
vierte Halbleiterzone 70 an, die die Kathodenzone der Diode
bildet. Diese Kathodenzone 70 kann beispielsweise durch
ein Halbleitersubstrat gebildet sein, auf das mittels Epitaxie die
Driftzone 20 aufgebracht ist, in die über die Vorderseite die Anodenzone 30 unter
Verwendung einer Maskentechnik mittels eines Implantations- oder
Diffusionsverfahrens eingebracht wird.
Das
Bauelement umfasst im Randbereich einen Graben 40, der
sich ausgehend von der Vorderseite 101 in senkrechter Richtung
in den Halbleiterkörper 100 hinein
erstreckt, wobei der Halbleiterkörper 100 in
dem Graben 40 mit einer elektrisch isolierenden Schicht 50 bedeckt
ist. Der Graben 40 ist in dem Ausführungsbeispiel vollständig mit
der elektrisch isolierenden Schicht 50 aufgefüllt, die
sich in dem Beispiel an der Vorderseite 101 bis an den
Rand 105 und in der entgegengesetzten Richtung bis über die
Anodenzone 30 erstreckt.
Anschließend an
den Graben 40 sind p-dotierte dritte Halbleiterzonen 60, 61, 62 angeordnet, wobei
eine diese Halbleiterzonen 60 in dem Ausführungsbeispiel
unterhalb des Grabens 40 und die beiden anderen Halbleiterzonen 61, 62 entlang
der Seitenwand des Grabens 40 an der dem Rand 105 abgewandten
Seite angeordnet sind. Eine Halbleiterzone 62 dieser dritten
Halbleiterzonen ist dabei unmittelbar unterhalb der Vorderseite 101 angeordnet, während die
andere 61 dieser Halbleiterzonen 61, 62 zwischen
der Halbleiterzone 62 an der Vorderseite 101 und
der Halbleiterzone 60 angeordnet ist. Die unterhalb des
Grabens 40 angeordnete Halbleiterzone 60 reicht
in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers über die unteren Ränder des
Grabens 40 hinaus.
Der
Graben 40 umgibt die Innenzone 103 vorzugsweise
ringförmig,
wie dies beispielhaft in 15 dargestellt
ist, die einen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß 1 entlang der dort dargestellten
Schnittlinie A-A zeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass 15 lediglich dazu dient,
die die Innenzone 103 umgebende Randstruktur zu erläutern, dass
diese 15 aber nicht
maßstäblich ist, da
bei üblichen
Bauelementen die Innenzone flächenmäßig einen
wesentlich größeren Raum
als die Randzone einnimmt. Die dritten Halbleiterzonen 60, 61, 62,
die als Feldringe dienen, umgeben die Innenzone 103 vorzugsweise
ebenfalls vollständig.
Der
Randabschluss mit dem Graben 40 und den dritten Halbleiterzonen 60, 61, 62 benachbart
zu dem Graben 40 dient zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit
des Bauelementes im Randbereich bei Anlegen einer Sperrspannung,
wie nachfolgend erläutert
ist.
Bei
Anlegen einer Sperrspannung zwischen dem Anodenanschluss A und dem
Kathodenanschluss K bzw. zwischen der zweiten Halbleiterzone 30 und
der stark dotierten vierten Halbleiterzone 70 breitet sich
in der als Driftzone dienenden ersten Halbleiterzone 20 eine
Raumladungszone ausgehend von dem pn-Übergang
aus. Die gestrichelten Linien in 1 zeigen
die Grenzen dieser Raumladungszone für verschiedene Sperrspannungen
U1, U2, U3 und U4, wobei U1 betragsmäßig kleiner als U2, U2 betragsmäßig kleiner
als U3 und U3 betragsmäßig kleiner
als U4 ist. Die p-dotierten Feldringe 60, 61, 62 bewirken
an der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40,
dass sich die Raumladungszone benachbart zu dem Graben bei einer
gegebenen Sperrspannung in vertikaler Richtung weniger weit in dem
Halbleiterkörper
ausbreitet als in der Innenzone 103. Der Spannungsdurchbruch
des Bauelements tritt ein, wenn die Raumladungszone die stärker dotierte
Halbleiterzone 70 im Bereich der Rückseite 102 erreicht,
wie dies für
die Sperrspannung U4 dargestellt ist. Der Graben 40 mit
der Isolationsschicht 50 bewirkt, dass sich erst kurz vor
Erreichen der Durchbruchspannung die Raumladungszone unterhalb des
Grabens 40 in Richtung des Randes ausbreitet, wobei selbst
im Durchbruchsfall große
Teile des ersten Halbleiterbereiches 20 zwischen dem Graben 40 und
dem Rand 105 nicht von der Raumladungszone erfasst sind.
Zusammenfassend
ist festzuhalten, dass der Graben 40, von dem wenigstens
die Seitenwände
in dem Halbleiterköper 100 mit
einer Isolationsschicht 50 bedeckt sind, zusammen mit den
kom plementär zu
der Driftzone 20 dotierten Feldringen 60, 61, 62 die
Ausbreitung der Raumladungszone im Randbereich, und damit die Feldstärken im
Randbereich, reduziert, wodurch die Spannungsfestigkeit im Randbereich 104 gegenüber der
Spannungsfestigkeit im Innenbereich 103 erhöht ist.
Wie
für ein
Ausführungsbeispiel
in dem Querschnitt in 16 dargestellt
ist kann der Graben 50 auch mehrere beabstandet zueinander
angeordnete Abschnitte aufweisen, die zusammen die Innenzone 103 ringförmig umgeben.
Wenngleich
der erfindungsgemäße Randabschluss
in 1 im Zusammenhang
mit einer Diode erläutert
wurde, so sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Randabschluss
nicht auf Dioden beschränkt
ist. Dieser Randabschluss kann vielmehr bei beliebigen vertikalen
Halbleiterbauelementen verwendet werden, die in ihrer Innenzone
einen pn-Übergang
aufweisen, der bei Anlegen einer Sperrspannung an das Bauelement
sperrt und ausgehend von dem sich im Sperrfall eine Raumladungszone
in dem Halbleiterbauelement ausbreitet.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Randabschlusses
anhand einer Diode, wobei sich dieser Randabschluss von dem in 1 dargestellten dadurch
unterscheidet, dass mehrere Gräben 40, 42, 44 vorhanden
sind, die in dem Randbereich 104 in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers
beabstandet zueinander angeordnet sind und die sich ausgehend von
der Vorderseite 101 unterschiedlich tief in den Halbleiterkörper hinein erstrecken.
Der dem Rand 105 am nächsten
liegende Graben 40 besitzt dabei sowohl in vertikaler Richtung als
auch in lateraler Richtung die größten Abmessungen der in dem
Beispiel dargestellten drei Gräben, wobei
die Abmessungen der Gräben 40, 42, 44 in Richtung
der Innenzone 103 abnehmen, d. h. der am nächsten zur
Innenzone 103 gelegene Graben erstreckt sich von den vorhandenen
Gräben
40, 42, 44 am wenigsten tief in den Halbleiterkörper hinein und besitzt in
lateraler Richtung die kleinsten Abmessungen der drei Gräben. Der äußerste,
dem Rand 105 am nächsten
liegende Graben 40 umgibt die Innenzone 103 vorzugsweise
ringförmig
in einer Weise, die bereits anhand von 15 erläutert wurde. Die weiteren Gräben 42, 44 können die
Innenzone 103 ebenfalls ringförmig umgeben, können jedoch
auch aus einer Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Löcher bestehen,
die die Innenzone 103 zusammen ringförmig umgeben, wie dies beispielsweise
anhand von 16 erläutert wurde.
Bei
dem Bauelement gemäß 2 ist jedem der Gräben 40, 42, 44 eine
p-dotierte Zone 60, 63, 64 zugeordnet,
wobei diese pdotierten Zonen 60, 63, 64 jeweils
unterhalb der Gräben 40, 42, 44 angeordnet sind.
Diese p-dotierten Zonen 60, 63, 64 werden
beispielsweise nach dem Herstellen der Gräben 40, 42, 44 und
noch vor dem Abscheiden der Isolationsschicht 50 dadurch
hergestellt, dass p-Dotiertstoffatome in die Böden der Gräben 40, 42, 44 implantiert und
anschließend
ausdiffundiert werden. Aufgrund der Diffusion erstrecken sich die
p-Gebiete 60, 63, 64 in lateraler Richtung über die
Abmessungen der Gräben 40, 42, 44 hinaus.
Entsprechend dem Beispiel in 1 sind
auch die Gräben 40, 42, 44 in
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 vollständig mit einem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt, das
abschnittsweise auch oberhalb der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers angeordnet
ist und das in einer Richtung bis an den Rand 105 und in
der anderen Richtung bis über die
p-dotierte zweite Halbleiterzone 30 reicht. Wenngleich
auch das Bauelement in 2 als
Diode ausgebildet ist, so sei darauf hingewiesen, dass der dargestellte
Randabschluss für
beliebige Bauelemente mit einem pn-Übergang in der Innenzone geeignet ist.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Randabschlusses
für ein Halbleiterbauelement,
wobei sich dieser Randabschluss von dem in 1 dargestellten dadurch unterscheidet,
dass lediglich eine pdotierte Halbleiterzone 60 unterhalb
des Grabens 40 und nur die p-dotierte Halbleiterzone 62 unterhalb
der Vorderseite 101 vorhanden ist, während auf die in 1 dargestellte weitere p-dotierte
Halbleiterzone an der Seitenwand des Grabens 40 verzichtet
ist.
4 zeigt eine Abwandlung
des in 3 dargestellten
Randabschlusses, wobei sich der Randabschluss in 4 von dem in 3 dargestellten dadurch unterscheidet,
dass neben dem Graben 40 und den unmittelbar benachbart
zu dem Graben angeordneten Halbleiterzonen 60, 62 zusätzliche
Feldringe 65, 66, die beabstandet zueinander und
beabstandet zu der Halbleiterzone 62 angeordnet sind, unterhalb
der Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers liegen.
5 zeigt eine weitere Abwandlung
des in 3 dargestellten
Randabschlusses, wobei das Bauelement gemäß 5 eine stark n-dotierte Feldstopzone 80 anschließend an
den Rand 105 und unterhalb der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers 100 aufweist.
Der Graben 40 ist wiederum vollständig mit dem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt. Oberhalb der
Vorderseite 101 ist bei diesem Ausführungsbeispiel keine Isolationsschicht
angeordnet, wobei darauf hingewiesen wird, dass das Vorhandensein
einer Isolationsschicht für
das grundsätzliche
Funktionieren des Randabschlusse nicht notwendig ist. Die gestrichelte
Linie in 5 veranschaulicht
die Grenze der Raumladungszone im Durchbruchsfall.
6 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement,
bei dem sich der Graben 40 ausgehend von der Vorderseite 101 durch
die als Driftzone dienende erste Halbleiterzone 20 bis
in die stark dotierte Halbleiterzone 70 im Bereich der
Rückseite 102 des
Halbleiterkörpers 100 erstreckt.
Entlang der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40 sind p-dotierte
Feldringzonen 61, 67, 68 in der Driftzone 20 angeordnet.
Die p-dotierte zweite Halbleiterzone 30, die bei einer
Diode deren Anodenzone bildet, erstreckt sich in dem Ausführungsbeispiel
in lateraler Richtung bis an den Graben 40, der mit dem
Isolationsmaterial 50 aufgefüllt ist. Da sich der Graben 40 bei
diesem Ausführungsbeispiel
bis in die stark dotierte Halbleiterzone 70 erstreckt,
kann sich in dem Abschnitt des Halbleiterkörpers 100 zwischen
dem Graben 40 und dem Rand 105 im Sperrfall keine Raumladungszone
ausbilden.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels
eines Halbleiterbauelementes mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss,
bei dem sich die p-dotierte zweite Halbleiterzone 30 in
lateraler Richtung bis an den Graben 40 erstreckt. Der
Graben 40, der mit dem Isolationsmaterial 50 aufgefüllt ist,
reicht in vertikaler Richtung nicht bis an die stark-dotierte Halbleiterzone 70.
Benachbart zu dem Graben 40 sind zwei p-dotierte Feldringzonen 60, 61 angeordnet,
wobei eine der Feldringzone 60 unterhalb des Grabens 40 und
die andere an einer dem Rand 105 abgewandten Seite des
Grabens 40 beabstandet zu der Vorderseite 101 angeordnet
ist. Unterhalb der Vorderseite 101 erstreckt sich in lateraler
Richtung zwischen dem Graben 40 und dem Rand eine stark n-dotierte
Kanalstopzone 80.
8 zeigt ausschnittsweise
einen Querschnitt durch einen MOSFET bzw. IGBT mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss.
Die erste n-dotierte Halbleiterzone 20, die im Innenbereich 103 und im
Randbereich 104 angeordnet ist, bildet die Driftzone des
MOSFET 20. Im Gegensatz zu den bislang erläuterten
Dioden weist der MOSFET/IGBT mehrere p-dotierte Halbleiterzonen 30 im
Bereich der Vorderseite 101 auf, die die Body-Zonen des
Bauelements bilden. In diesen Body-Zonen 30 sind jeweils
stark n-dotierte Source-Zonen 35 angeordnet, die an der Vorderseite 101 mittels
einer Source-Elektrode 92 kontaktiert sind, wobei diese
Source-Elektrode in den Ausführungsbeispielen
die Source-Zonen 35 und die Body-Zonen 30 kurzschließt. Bei
dem dargestellten Bauelement, das als sogenanntes DMOS-Bauelement ausgebildet
ist, sind oberhalb der Vorderseite 101 Gate-Elektroden 90 angeordnet,
die mittels Gate-Isolationsschichten 52 isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 angeordnet
sind. Das Bauelement ist zellenartig aufgebaut, besitzt also eine
Vielzahl gleichartiger Strukturen mit jeweils einer Body-Zone 30,
einer Source-Zone 35 und einer Gate-Elektrode 90, wobei allen Zellen
die rückseitige Drain-Zone 70 gemeinsam
ist.
Im
Randbereich 104 des Bauelementes erstreckt sich ein Graben 40 ausgehend
von der Vorderseite 101 in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper, wobei
der Graben 50 mit einem Isolationsmaterial aufgefüllt ist
und wobei benachbart zu dem Graben 40 Ringzonen 60, 61, 67 angeordnet
sind, von denen eine Ringzone 60 unterhalb des Grabens 40 und
die beiden anderen 61, 67 an der dem Rand 105 abgewandten
Seite des Grabens 40 angeordnet sind.
An
die Driftzone 20 schließt sich an der der Vorderseite 101 abgewandten
Seite die stark dotierte Halbleiterzone 70 an, die bei
MOSFET n-dotiert ist und bei IGBT stark p-dotiert ist und die die
Drain-Zone bildet. Eine der Body-Zonen 30 reicht bei dem
dargestellten Bauelement bis an den Graben 40 mit der Isolationsschicht 50,
wobei die in dieser Body-Zone 30 angeordnete Source-Zone 35 nicht
durch die Source-Elektrode 92 kontaktiert ist.
Die
gestrichelte Linie im Randbereich 104 veranschaulicht die
Grenze der Raumladungszone im Sperrfall bei Erreichen der Durchbruchspannung. Wie
auch bei den zuvor erläuterten
Dioden breitet sich bei dem dargestellten MOSFET/IGBT ausgehend
von den pn-Übergängen zwischen
den Body-Zonen 30 und der Driftzone 20 eine Raumladungszone
aus, wenn eine entsprechende Sperrspannung zwischen der rückseitigen
Drain-Zone 70 und der Source-Elektrode S, 92 angelegt
wird und wenn die Gate-Elektroden
G nicht angesteuert sind.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Halbleiterbauelementes mit einem erfindungsgemäßen Randabschluss. Bei dem
dargestellten Bauelement ist der Graben 40, der sich ausgehend von
der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper 100 hineinerstreckt
stufenförmig
ausgebildet und weist sowohl in Richtung der Innenzone 103 als
auch in Richtung des Randes 105 Stufen 41, 42, 43, 44 auf. P-dotierte
Feldringzonen 60, 60A, 60B, 60C, 60D sind
dabei unterhalb des tiefsten Punktes (der untersten Stufe) des Grabens
und unterhalb jeder der weiteren Stufen 41, 42, 43, 44 des
Grabens angeordnet. Der Halbleiterkörper 100 ist in dem
Graben von der Isolationsschicht 50 überdeckt, die auch Teile der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers überdeckt.
10 zeigt einen Randabschluss
mit abgestuftem Graben 40 für einen als Kompensationsbauelement
ausgebildeten MOSFET. Der MOSFET weist im Bereich der Vorderseite 101 des
Halbleiterkörpers 100 eine
bereits anhand von 8 erläuterte zellenartige
Struktur mit Body-Zonen 30, Source-Zonen 35 und
Gate-Elektroden 90 auf. Die Driftzone des MOSFET ist bei
dem dargestellten Bauelement nicht homogen dotiert sondern umfasst
abwechselnd n-dotierte Halbeiterzonen 20 und p-dotierte
Halbleiterzonen 22, die im dargestellten Beispiel streifenförmig ausgebildet
sind, die jedoch eine beliebige hinlänglich bekannte Struktur besitzen
können.
Diese abwechselnd ndotierten und p-dotierten Halbleiterzonen 20, 22 räumen sich
bei Anlegen einer Sperrspannung in hinlänglich bekannter Weise gegenseitig
aus, woraus eine gegenüber
Bauelementen ohne derartige Kompensationsstruktur erhöhte Sperrspannung resultiert.
Der
Graben 40 weist in dem Ausführungsbeispiel Stufen 43, 44, 45 an
der dem Rand 105 abgewandten Seite auf, wobei unterhalb
des ausgehend von der Vorderseite 101 tiefsten Punktes
des Grabens 40 eine p-dotierte Feldringstruktur 60 angeordnet
ist und wobei unterhalb jeder der Stufen 43, 44, 45 p-dotierte
Feldringzonen 60C, 60D, 60E angeordnet
sind. Eine weitere Feldringstruktur 62 ist benachbart zu
dem Graben 40 und unmittelbar unterhalb der Vorderseite 101 an
der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens angeordnet.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Randabschluss, wobei
in 11 lediglich die
Randzone eines Halbleiterkörpers 100 dargestellt
ist. In der nicht dargestellten Innenzone des Halbleiterkörpers 100 kann
eine beliebige Bauelementstruktur mit einem pn-Übergang, beispielweise eine
der zuvor erläuterten
Diodenstrukturen oder MOSFET-Strukturen angeordnet sein. Das Bauelement
umfasst im Randbereich 104 neben dem Graben 40,
der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper hinein
erstreckt, in der ersten Halbleiterzone 20 p-dotierte Kompensationszonen 22,
die floatend angeordnet sind, wobei dieses Kompensationszonen 22 im Randbereich 104 sowohl
an der dem Rand 105 abgewandten Seite des Grabens 40 als
auch unmittelbar benachbart zu dem Rand 105 angeordnet
sind. Diese Kompensationszonen 22 erstrecken sich in dem
Beispiel säulenförmig ausgehend
von der Vorderseite 101 in vertikaler Richtung in den Halbleiterkörper hinein
und sind im Querschnitt beispielsweise als Säulen ausgebildet, können jedoch
auch eine beliebige andere Geometrie aufweisen.
Entlang
beider Seiten des Grabens 40, also entlang der dem Rand 105 zugewandten
Seite und auch entlang der dem Rand 105 abgewandten Seite sind
p-dotierte Feldringzonen 61A, 61B, 67A, 67B, 68A, 68B jeweils
beabstandet zueinander angeordnet. Die Dotierung der Kompensationszonen 22 und der
Driftzone 20 des Bauelementes sind so aufeinander abgestimmt,
dass sich die n-dotierten Abschnitte 20 der Driftzone und
die pdotierten Abschnitte 22 im Sperrfall vollständig ausräumen, während die Feldringzonen 61A-68B so
stark p-dotiert sind, dass diese im Sperrfall nicht vollständig ausgeräumt werden.
Der
erfindungsgemäße Randabschluss
mit wenigstens einem sich in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckenden
Graben 40 und der darin genannte angeordneten Isolationsschicht
sowie mit der wenigstens einen sich an den Graben anschließenden Feldringzone
kann mit beliebigen weiteren Maßnahmen
zur Steigerung der Spannungsfestigkeit im Randbereicht kombiniert werden,
wie beispielhaft anhand von 12 erläutert wird. 12 zeigt einen erfindungsgemäßen Randabschluss
mit einem Graben 40, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in
den Halbleiterkörper
hinein erstreckt. Unmittelbar anschließend an den Graben 40 sind
mehrere Feldringzonen 60A, 60B, 61A, 61B, 62A, 62B angeordnet,
wobei in dem Beispiel eine der Feldringzonen unterhalb des Grabens 40 und
andere Feldringzonen 61A-62B entlang der Seiten des Grabens 40 angeordnet
sind. Im Anschluss an den Rand 105 und unterhalb der Vorderseite 101 ist
eine stark n-dotierte Kanalstoppzone 80 angeordnet, die
elektrisch leitend mit einer Feldplatte 94 verbunden ist,
die isoliert gegenüber
dem Halbleiterkörper 100 oberhalb
der Vorderseite 101 angeordnet ist. Diese Anordnung mit
der Kanalstoppzone 80 und der Feldplatte 94, die
eine bekannte Anordnung zur Erhöhung
der Spannungsfestigkeit im Randbereich 104 darstellt, ist
in dem Beispiel gemäß 12 mit dem erfindungsgemäßen Randabschluss
zur weiteren Steigerung der Spannungsfestigkeit im Randbereich kombiniert.
Die gestrichelte Linie in 12 veranschaulicht
die Raumladungszone im Durchbruchsfall, wobei deutlich wird, das
diese Raumladungszone an der stark n-dotierten Kanalstopzone 80 endet
und in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers dank der Randstruktur
mit dem Graben 40 nicht bis an den Rand 105 des
Halbleiterkörpers 100 reicht.
Das
erfindungsgemäße Randabschlusskonzept
mit einer in vertikaler Richtung eines Halbleiterkörpers verlaufenden
Isolationsschicht und sich einer an die Isolationsschicht anschließenden wenigstens einen
Feldringzone erfordert nicht notwendigerweise einen sich in den
Halbleiterkörper
hinein erstreckenden Graben, wie nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele
in den 13 und 14 erläutert wird. Bei diesen Bauelementen
wird ein Randabschluss im Randbereich 104 des Halbleiterkörpers 100 dadurch gebildet,
dass eine Isolationsschicht 52 unmittelbar auf den Rand 100 des
Halbleiterkörpers
aufgebracht ist. Im Halbleiterkörper 100 schließt sich
in der ersten Halbleiterzone 20 unmittelbar an die Isolationsschicht 52 wenigstens
eine Feldringzone 61 (in 13)
bzw. 61, 62, 67, 68 (in 14) an. Die Bauelemente
gemäß der 13 und 14 umfassen im Bereich der Rückseite 102 jeweils
eine stark n-dotierte Halbleiterzone 70, die bei dem als
Diode ausgebildeten Bauelement in 13 die
Kathodenzone bildet und die bei dem als MOSFET ausgebildeten Bauelement
in 14 dessen Drain-Zone
bildet. Der Halbleiterkörper 100 ist
im Randbereich 104 derart abgestuft, dass der Rand 105 einen
vertikalen Abschnitt 105A und einen lateralen Abschnitt 105B entlang
der stark-dotierten Halbleiterzone 70 aufweist. Die Isolationsschicht 52 überdeckt
beide Abschnitte 105A, 105B des Randes und reicht
im Randbereich 104 bis über
die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers. Die Driftzone 20 kann,
wie bei dem Bauelement in 13,
homogen dotiert sein. Die Driftzone kann jedoch auch wie bei dem
Bauelement in 14 eine Kompensationsstruktur
mit abwechselnd p-dotierten und ndotierten Bereichen 20, 22 aufweisen.
Die Feldringzonen 61, 62, 67, 68 bei
dem Kompensationsbauelement gemäß 14 sind dabei so stark dotiert,
dass diese Feldringzonen 61–68 im Sperrfall nicht
vollständig
ausgeräumt
werden, während
die in der Driftzone benachbart zueinander angeordneten ndotierten
und p-dotierten Halbleiterzonen 20, 22 im Sperrfall vollständig ausgeräumt werden.