DE10346838A1

DE10346838A1 - Superjunction-Bauteil

Info

Publication number: DE10346838A1
Application number: DE10346838A
Authority: DE
Inventors: Zhijun Torrance Qu
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2004-05-13
Also published as: US20040108568A1; JP2004282007A

Abstract

Die P-Leitungstyp-Pylone in einem Superjunction-Bauteil weisen eine vergrößerte Konzentration an ihrem oberen Ende auf, um das Ladungsgleichgewicht zu modifizieren, derart, dass der obere Teil der P-Bereiche im Sperrspannungsbetrieb nicht vollständig verarmt wird, während der Rest der P-Leitungstyp-Pylone im Ladungsgleichgewicht mit dem umgebenden N-Körperbereich ist. Ein Lawinendurchbruchstrom kann dann zum Mittelteil des P-Körpers (für ein N-Kanal-Bauteil) Kanalbereich an der Oberseite des Pylons und von dem R¶b¶' unter der Source abgelenkt werden, um die Robustheit (Einschalten des parasitären bipolaren Transistors aufgrund des Lawinendurchbruchstromflusses durch R¶b¶') bei nur geringer Einbuße der Durchbruchspannung aufgrund der vergrößerten Konzentration an der Oberseite der Pylone zu vergrößern.

Description

Die vorliegende Anmeldung beruht auf der US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/417212 vom 8. Oktober 2002 mit dem Titel „Superjunction Device with added Charge at Top of Pylons to increase Ruggedness" und beansprucht deren Priorität.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Superjunction-Halbleiterbauteile und insbesondere auf die Verbesserung der Robustheit derartiger Bauteile ohne wesentliche Beeinträchtigung der Durchbruchsspannung des Bauteils.

Superjunction-Bauteile, bei denen sich eine Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten parallelen Säulen oder Pylonen eines Leitfähigkeitstyps durch einen Teil oder die gesamte Dicke einer Halbleiterscheibe des anderen Leitungstyps erstreckt, sind gut bekannt. Die Pylone sind vom P-Leitungstyp für ein N-Kanal-Bauteil, was das hier verwendete Beispiel ist. Die Pylone werden dann an ihren Oberseiten mit einer MOS-Gate-gesteuerten Struktur abgedeckt, die im eingeschalteten Zustand einen vertikalen Stromfluss durch den N-Hauptteil der Halbleiterscheibe ermöglicht. Die Gesamtladung der Pylone ist an die des umgebenden N-Hauptteils angeglichen, so dass bei einer Sperrvorspannung die P-Pylone und der N-Körper vollständig verarmt werden, um die Spannung längs der Dicke der Halbleiterscheibe zu sperren.

Es ist bekannt, dass ein Lawinendurchbruchstrom in derartigen Bauteilen bei einer Sperrvorspannung fließen kann. Dieser Lawinendurchbruchstrom fließt in den Kanalbereich und unter die Source-Bereiche der MOS-Gate-gesteuerten Strukturen (den R_b'-Bereich des Bauteils) und dann zum Source-Metall. Wenn der horizontale Teil des Lawinendurchbruchstromes und damit der Spannungsabfall längs der Source-P-Körper-Grenzschicht hoch genug ist, kann hierdurch der parasitäre Transistor in der MOS-Struktur eingeschaltet werden.

Der horizontale Teil des Lawinendurchbruchstromes kann durch Vergrößern der Ladung in den P-Pylonen und Überkompensieren der P-Bereiche (kein Ladungsgleichgewicht) verringert werden, wodurch das Bauteil weniger zu einem durch einen Lawinendurchbruchstrom hervorgerufenes Einschalten neigt. Die vergrößerte Pylon-Konzentration verringert jedoch die Durchbruchsspannung, weil die P-Pylone während der Sperrvorspannung nicht vollständig verarmt werden.

Daher ist der Konstruktionskompromiss zwischen der Robustheit des Bauteils (Lawinendurchbruchsenergie) und der Durchbruchsspannung kompliziert.

Dies heißt mit anderen Worten, dass die Erzielung von sowohl einer hohen Durchbruchsspannung als auch einer hohen Lawinendurchbruchsenergie eine kritische Technik bei der Konstruktion von Bauteilen vom Superjunction-Typ ist. Wenn ein Superjunction-Bauteil mit einem perfekten Ladungsgleichgewicht-Zustand arbeitet, kann es eine hohe Sperrspannung aushalten. Die große Menge des horizontalen Lawinendurchbruchstromes durch den R_b'-Bereich triggert jedoch sehr leicht die bipolare Struktur in dem MOSFET-Bauteil. Wenn andererseits das Bauteil mit höherer und nicht ausgeglichener p-Ladung in den Pylonen arbeitet, so ist die Lawinendurchbruchsenergie üblicherweise hoch, jedoch bei einer niedrigen Durchbruchsspannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Superjunction-Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine vergrößerte Robustheit aufweist Diese Aufgabe wird durch die im Patenanspruch 1 bzw. 9 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung weist lediglich ein kleiner Teil an der Oberseite jedes Pylons eine vergrößerte Ladung auf und ist somit gegenüber seinem umgebenden entgegengesetzt geladenen Bereich nicht im Ladungsgleichgewicht.

Ein Bauteil gemäß der Erfindung ergibt einen günstigen Kompromiss hinsichtlich der Durchbruchsspannung und der Lawinendurchbruchsenergie. Wenn lediglich die Oberseite des Pylons eine eine höhere Dosis aufweisende Implantation verglichen mit seinem unteren Teil erhält, so kann das Bauteil immer noch einer hohen Durchbruchsspannung widerstehen. Wenn ein Lawinendurchbruch in dem Bauteil auftritt, so ist der Lawinendurchbruchsstrom an dem unteren Bereich des Bauteils gleichförmig und beginnt sich in Richtung auf jeden Pylon zu konvergieren, wenn er in die Nähe der Oberseite des Bauteils fließt. Dies hält den Lawinendurchbruchstrom von dem R_b'-Bereich fort, so dass das Bauteil einer wesentlich höheren Lawinendurchbruchsenergie standhalten kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen 25% des oberen Teils jedes Pylons eine vergrößerte Ladung auf, und der Rest jedes Pylons hat eine ausgeglichene Ladung gegenüber seinem umgebenden Bereich. Weiterhin ist vorzugsweise der Ladungsanstieg an der Oberseite jedes Pylons um ungefähr 15 bis 20% größer als die Ladung des Restes seines Hauptteils. Als Ergebnis weist die bevorzugte Ausführungsform eine günstige Kombination der Durchbruchsspannung und der Lawinendurchbruchsenergie auf. Es sei bemerkt, dass die hier angegebenen Werte modifiziert werden können, um den gewünschten Kompromiss zwischen den verschiedenen Charakteristiken des Bauteils zu erzielen, wie beispielsweise seiner Robustheit und der Nenn-Durchbruchsspannung.

1 ist ein Querschnitt einer Superjunction-Halbleiterscheibe, die die Merkmale der Erfindung aufweist.
2 ist ein Querschnitt der 1 entlang der Schnittlinie 2-2 in 1. 3 zeigt schematisch die Betriebsweise der Erfindung für einen einzelnen Pylon nach den 1 und 2.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die 1 und 2 zeigen einen kleinen Teil eines Superjunction-MOSFET-Bauteils mit gut bekannter Konstruktion, das gemäß der Erfindung modifiziert ist, wie dies beschrieben wird.
Das Bauteil wird in einer Silizium-Halbleiterscheibe 10 (der Ausdruck Halbleiterscheibe wird austauschbar mit Chip oder Halbleiterplättchen verwendet) ausgebildet, die einen Haupt-Substratabschnitt 10 aufweist, der als stark dotiertes (N⁺⁺) Silizium dargestellt ist. (Die 1 und 2 zeigen ein N-Kanal-Bauteil. Alle Leitfähigkeitstypen können umgekehrt werden, um ein P-Kanal-Bauteil zu erzeugen).
Das Superjunction-Konzept schließt die Verwendung von Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten „Pylonen" oder Säulen 20, 21, 22 vom P-Leitungstyp ein, die sich in Vertikalrichtung nach oben in Richtung auf die obere Fläche der Halbleiterscheibe 10 erstrecken. In üblicher Weise weisen diese Pylone eine P-Konzentration derart auf, dass ihre Gesamtladung gleich der Gesamtladung in dem umgebenden N-Leitungstyp-Körper 23 (üblicherweise eine epitaxial abgeschiedene Schicht) aus Silizium oberhalb des Substrates 11 ist. Auf diese Weise werden bei einer Sperrvorspannung die P-Leitungstyp-Pylone und der N-Leitungstyp-Körper vollständig verarmt, um die Spannung zu sperren. Die N-Leitungstyp-Konzentration in dem Bereich 23 kann jedoch höher sein, als die, wie sie für den üblichen MOSFET verwendet wird, so dass das Bauteil einen wesentlich niedrigeren Einschaltwiderstand in eingeschaltetem Zustand hat.
Eine MOS-Gate-Struktur ist weiterhin in der üblichen Weise vorgesehen und Form von P-Kanalbereichen 30, 31, 32 dargestellt, die N⁺-Sourcebereiche 33, 34 bzw. 35 aufnehmen, die ringförmige Bereiche sein können. Die P^–-Bereiche in den Kanälen 30, 31 und 32, die unterhalb der Sourcen 33, 34 bzw. 35 liegen, sind die R_b'-Bereiche, durch die der Lawinendurchbruchstrom fließen kann.
Ein Gateoxid 40 liegt über den invertierbaren Kanalbereichen zwischen den Source-Bereichen und den jeweiligen Kanalbereichen, und eine Polysilizium-Gate-Elektrode 41 liegt über dem Oxid 40. Eine Isolierschicht 42, wie z. B. ein LTO, liegt über den Polysilizium-Gatesegmenten der Gate-Elektrode 41 und isoliert diese von einer darüberliegenden Source-Elektrode 43. Ein Drain-Kontakt 50 ist mit der Unterseite der Halbleiterscheibe 10 verbunden.
Die Pylone 20, 21 und 22 können in irgendeiner gewünschten Weise hergestellt werden. Ein übliches Verfahren schließt die aufeinanderfolgende epitaxiale Abscheidung von N-Leitungstyp-Schichten 60 bis 65 ein, wobei ausgerichtete P-Leitungstyp-Diffusionen der Bildung jeder Schicht folgen, um den abschließenden Pylon zu bilden. Die Anzahl der Schichten und ihre Dicke und Konzentrationen sind gut bekannt. Typischerweise werden für ein Hochspannungsbauteil sechs Schichten verwendet, um die erforderliche Länge zu erzielen.
Gemäß der Erfindung weist der obere Teil jedes der Pylone (und die Diffusion in der obersten Schicht 65) eine größere Konzentration P₂ auf, als der verbleibende Teil der Säule, in der jede Diffusion die Konzentration P₁ hat, worin P₁<P₂ ist.
Es sei bemerkt, dass die Länge des Pylons mit der vergrößerten Konzentration vorzugsweise weniger als 25% der gesamten Pylon-Länge sein sollte (bei der dargestellten Ausführungsform beträgt sie ungefähr 16%). Weiterhin ist die Konzentration P₂ vorzugsweise ungefähr 15 bis 20% größer als P₁.
3 zeigt die Pylone 20 und zeigt die Art und Weise, wie der stärker dotierte Teil des Pylons oder der P-Säule 20 den Betrieb des Bauteils verbessert.
Somit ist die Erzielung sowohl einer hohen Durchbruchsspannung als auch einer hohen Lawinendurchbruchsenergie das Ziel der kritischen Konstruktion des Bauteils vom Superjunction-Typ. Wenn eine Superjunction mit einem perfekten Ladungsgleichgewichtszustand arbeitet, so kann sie eine hohe Sperrspannung zwischen der Elektrode 43 und der Elektrode 50 (1) aushalten. Ein großer Lawinendurchbruchstrom durch den R_b'-Bereich triggert jedoch sehr leicht die bipolare Struktur in dem MOSFET-Bauteilabschnitt. Wenn andererseits das Bauteil mit einer höheren p-Ladung in dem Pylon arbeitet, so ist die Lawinendurchbruchsenergie üblicherweise hoch, jedoch bei verringerter Durchbruchsspannung.
Diese Erfindung verbessert den Kompromiss zwischen der Durchbruchsspannung und der Lawinendurchbruchsenergie. So kann, wenn lediglich die Oberseite der P-Säule 20 eine eine höhere Dosis aufweisende Implantation P₂ (als die des unteren Teils der p-Säule) erhält, das Bauteil immer noch einer relativ hohen Durchbruchsspannung widerstehen. Wenn ein Lawinendurchbruch in dem Bauteil auftritt, ist der Lawinendurchbruchstrom, wie er durch die Pfeile in 3 gezeigt ist, an dem unteren Teil des Bauteils gleichförmig, beginnt jedoch, in Richtung auf die p-Säule in der Nähe der Oberseite des Bauteils zu konvergieren. Dies hält den Lawinendurchbruchstrom von dem R_b'-Bereich unter der Source 33 fort, so dass das Bauteil eine wesentlich höhere Lawinendurchbruchsenergie vertragen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung bezüglich einer speziellen Ausführungsform beschrieben wurde, sind viele Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorstehende spezielle Beschreibung beschränkt ist.

Claims

Superjunction-Halbleiterbauteil mit einem Halbleiter-Hauptbereich mit einem ersten Leitungstyp und parallelen oberen und unteren Oberflächen, einer Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten Pylonen des anderen Leitungstyps, die sich durch zumindest einen Teil der Dicke des Hauptbereichs erstrecken, und mit einer jeweiligen MOS-Gate-gesteuerten Struktur, die einen Source-Bereich aufweist, der in einem Kanalbereich angeordnet ist, der sich oberhalb jedes der Pylone erstreckt und mit diesem in Kontakt steht, wobei der größte Teil der Länge der Pylone, die sich von deren Enden erstreckt, die sich am nächsten an der unteren Oberfläche befinden, ein Ladungsgleichgewicht mit dem Hauptbereich aufweist, der diese umgibt, während die verbleibende Länge jedes der Pylone an deren oberen Ende eine höhere Konzentration aufweist, als die des größten Teils der Länge, wodurch der Lawinendurchbruchstrom zumindest teilweise in Richtung auf den Mittelpunkt der Oberseite des Pylon und von dem R_b'-Bereich in dem Kanal und unterhalb der Source fort gelenkt wird.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Ladung in der verbleibenden Länge bis zu ungefähr 20% größer als die des größten Teils der Länge des Pylons ist.
Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die verbleibende Länge der Pylone kleiner als ungefähr 25% der Länge des Pylons ist.
Bauteil nach Anspruch 2, bei dem die verbleibende Länge der Pylone kleiner als ungefähr 25% der Länge des Pylons ist.
P-Leitungstyp-Halbleiter-Pylon in einem N-Leitungstyp-Körper für ein Superjunction-Bauteil, wobei der P-Leitungstyp-Pylon eine vergrößerte Konzentration an seinem oberen Ende aufweist, die größer als die Konzentration des umgebenden N-Leitungstyp-Körpers ist und diese überausgleicht, wobei der Rest der Länge des Pylons im Ladungsgleichgewicht mit dem umgebenden N-Leitungstyp-Körper ist.
Bauteil nach Anspruch 5, bei dem die Ladung in der verbleibenden Länge bis zu ungefähr 20% größer als in dem größten Teil der Länge ist.
Bauteil nach Anspruch 5, bei dem die verbleibende Länge der Pylone kleiner als ungefähr 25% der Länge des Pylons ist.
Bauteil nach Anspruch 6, bei dem die verbleibende Länge der Pylone kleiner als ungefähr 25% der Länge des Pylons ist.
Superjunction-Bauteil mit verbesserten Lawinendurchbruchseigenschaften, wobei das Bauteil einen Halbleiterscheibenkörper des einen Leitungstyps und eine Hauptelektrode auf der Unterseite der Halbleiterscheibe aufweist, wobei sich eine Vielzahl von identischen und mit Abstand voneinander angeordneten Pylonen des anderen Leitungstyps durch zumindest einen Teil der Dicke der Halbleiterscheibe erstreckt, wobei zumindest die unteren Teile der Pylone im Ladungsgleichgewicht mit dem Halbleiterscheibenkörper sind, und wobei ein Teil der Oberseite der Pylone eine größere Ladung als die der unteren Teile aufweist.
Bauteil nach Anspruch 9, bei dem die Ladung in dem oberen Ende der Pylone ungefähr zumindest 15 bis 20% größer als die der unteren Teile ist.
Bauteil nach Anspruch 9, bei dem die Länge des Teils des oberen Endes kleiner als ungefähr 25% der Gesamtlänge der Pylone ist.
Bauteil nach Anspruch 10, bei dem die Länge des oberen Teils der Pylone kleiner als ungefähr 25% der Länge des Pylons ist.
Bauteil nach Anspruch 9, das weiterhin MOS-Gate-gesteuerte Strukturen einschließt, die an der Oberseite jedes der Pylone angeordnet sind, wobei die MOS-Gate-gesteuerte Strukur einen Kanalbereich des entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, der sich über seinen jeweiligen Pylon hinweg erstreckt und diesen überlappt, wobei sich ein jeweiliger Source-Bereich des einen Leitungstyps in jeden der Kanalbereiche erstreckt und R_b'-Bereiche in den Kanälen und unterhalb der Sourcen bildet, die von dem Außenumfang der Oberseite des Pylons entfernt sind, wobei sich eine Gate-Struktur über jeweilige invertierbare Kanalbereiche zwischen den Source- und Kanalbereichen an der Oberseite der Halbleiterscheibe erstreckt, und wobei sich eine Source-Elektrode über die Oberseite der Halbleiterscheibe und in Kontakt mit jedem der Source- und Kanalbereiche erstreckt.
Bauteil nach Anspruch 13, bei dem die Ladung in dem oberen Ende der Pylone ungefähr zumindest 15 bis 20% größer als die der unteren Teile ist.
Bauteil nach Anspruch 13, bei dem die Länge des Teils des oberen Endes kleiner als ungefähr 25% der Gesamtlänge der Pylone ist.
Bauteil nach Anspruch 14, bei dem die Länge des Teils des oberen Endes kleiner als ungefähr 25% der Gesamtlänge der Pylone ist.