-
Diese
Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit eingegrabenen feldformenden
Bereichen, die durch eine Spannungsaufrechterhaltungs-Zone ausgedehnt
sind. Die Erfindung sieht derartige Bauelemente mit einem vorteilhaften
peripheren Abschluss vor.
-
Viele
bekannte Arten von Halbleiterbauelementen umfassen einen Halbleiterkörper, der
eine Spannungsaufrechterhaltungs-Zone zwischen ersten und zweiten
Bauelementbereichen enthält,
die entsprechende an erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen des
Körpers
angrenzende Elektrodenverbindungen aufweisen. Feldeffekt-Transistoren,
zum Beispiel MOSFETs sind eine besondere, die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone
als einen Senken-Driftbereich des Transistors aufweisende Art. Leistungsgleichrichter,
zum Beispiel Schottky-Dioden oder p-n-Flächendioden sind eine andere
Art, bei denen die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone an die gleichrichtende Übergangszone
angrenzt.
-
Die
veröffentlichte
deutsche Patentanmeldung
DE-A-198
48 828 und die später
veröffentlichten
internationalen PCT-Patentanmeldungen
WO-A-01/59844 ,
WO-A-01/59847 und
WO-A-01/59846 offenbaren
das Einbringen von eingegrabenen feldformenden Bereichen enthaltend
einen Widerstandspfad, der in Gräben
durch die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone zu dem zweiten Elektrodenbereich
ausgedehnt ist, in derartige Bauelemente. Die Gräben erstrecken sich von der
ersten Oberfläche
in den Körper.
Die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone ist so dimensioniert und zwischen
den eingegrabenen feldformenden Bereichen dotiert, dass sie in einer
Spannungs-Sperrungsbetriebsart zwischen den eingegrabenen feldformenden
Bereichen an freien Ladungsträgern
verarmt ist.
-
Dieses
Einbringen von eingegrabenen feldformenden Bereichen ermöglicht eine
gewünschte Spannungsaufrechterhaltung,
Spannungssperrung, Durchbruchspannungs-Charakteristik der Bauelemente
unter Benutzung eines Halbleiterbereiches (oder von eingefügten Halbleiterbereichen)
zu erhalten, der (die) eine höhere
Dotierstoffkonzentration und somit einen geringeren spezifischen
Wider stand hat (oder haben), als herkömmlich aus einer konventionellen
Quadratgesetz-Beziehung zwischen Durchbruchspannung und Reihenwiderstand
verlangt würde.
-
Diese
Bauelemente sind eine Modifikation derjenigen in dem amerikanischen
Patent
US-A-4,754,310 offenbarten.
-
Die
verschiedenartigen Designparameter von eingegrabenen feldformenden
Bereichen und der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone können optimiert
werden, um eine im Wesentlichen gleichförmige elektrische Feld-Verteilung
in der aktiven Bauelementzone zwischen der ersten und zweiten Elektrode
als ein Ergebnis des Durchgangs eines kleinen Verluststromes durch
die eingegrabenen feldformenden Bereiche zu erzeugen. Derartige
Bauelemente sind jedoch empfänglich
für Abweichungen
in dem Feldprofil, die nahe der Peripherie der aktiven Zone auftreten
könnten.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kompatiblen aber
abweichenden Entwurf von eingegrabenen feldformenden Bereichen in
der peripheren Zone bereitzustellen, um die Empfänglichkeit des Bauelementes
für Abweichungen
in dem Feldprofil in dieser Zone zu verringern.
-
Ein
Bauelement gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Besondere Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen offenbart.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiterbauelement vorgesehen,
bei dem die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone und die eingegrabenen
feldformenden Bereiche sowohl in einer aktiven Bauelementzone zwischen
der ersten und zweiten, mit einer Elektrode verbundenen Bereichen
als auch in einer peripheren Zone vorhanden sind, die um die Peripherie
der aktiven Zone ausgedehnt ist. In der peripheren Zone ist ein
weiterer Widerstandspfad enthalten, der über die erste Oberfläche nach
außen über die
periphere Zone ausgedehnt ist. Dieser weitere Widerstandspfad sieht
einen Potentialteiler vor, der mit dem darunter liegenden zweiten
Bereich über
entsprechende Widerstandspfade der aufeinanderfolgenden, eingegrabenen
feldformenden Bereiche in der peripheren Zone verbunden ist. Dadurch
wird eine stufenweise Verände rung
in dem durch die aufeinanderfolgenden, eingegrabenen feldformenden
Bereiche in der peripheren Zone der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone
angelegten Potential erreicht.
-
Die
Verwendung eines Widerstandspfads, um einen Potentialteiler über der
peripheren Zone des Halbleiterbauelementes bereitzustellen, ist
aus dem amerikanischen Patent
US-A-4,375,125 bekannt. Diese bekannte Verwendung
steht jedoch nicht in dem Kontext von Verbindungen zu eingegrabenen
feldformenden Bereichen, die selbst einen Widerstandspfad zu einem
darunter liegenden Bauelementbereich.
-
In
einem Bauelement gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Widerstand des weiteren Widerstandspfads, der
den Potentialteiler bereitstellt, typischerweise eine Größenordnung
geringer als der Widerstand des Widerstandspfads der eingegrabenen feldformenden
Bereiche. Obwohl ein linearer Potentialgradient entlang des Potentialteilers
benutzt werden kann, kann eine kompaktere Struktur durch ein Erhöhen des
Widerstands des weiteren Widerstandspfads auf einen höheren Wert
zu äußersten, eingegrabenen
feldformenden Bereichen erreicht werden. Dies ist erreichbar, weil
die Bauelementempfindlichkeit auf ein laterales Feld um die äußersten Bereiche
verringert ist, nachdem ein großer
Bruchteil der angelegten Spannung an den inneren feldformenden Bereichen
stufenweise abgefallen ist.
-
Vorteilhafte
Merkmale gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den angehängten
Ansprüchen dargelegt.
Diese und andere werden nun in besonderen Ausführungsformen der Erfindung,
im Weg eines Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
erläutert,
wobei in den Zeichnungen:
-
1 eine
schematische Querschnittsansicht eines Teils der aktiven Bauelement-Zone
und der peripheren Zone eines MOSFET-Beispiels eines Halbleiterbauelements
gemäß der Erfindung
ist, wobei ein Beispiel von eingegrabenen feldformenden Bereichen
gezeigt wird;
-
2A bis 2C schematische
Aufsichten der aktiven Bauelementzone und der peripheren Zone von
drei Layoutbeispielen eines derartigen Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung
sind;
-
3 eine
schematische Querschnittsansicht eines demjenigen von 1 ähnlichen
vereinfachten Bauelementteils, der einen leichten lateralen Übergang
im elektrischen Feld von der aktiven Bauelementzone über die
periphere Zone, wie er gemäß der Erfindung
erreichbar ist, anzeigt;
-
4A eine
schematische Darstellung eines lateralen Widerstandssegments (mit
dem Wert Rlat) und eines vertikalen Widerstandssegments (mit dem Wert
Rvert) in jeweiligen lateralen und vertikalen Widerstandspfaden
in der peripheren Zone des Bauelementes der 1 und 3 gemäß der Erfindung ist;
-
4B eine
grafische Darstellung von Computersimulationen des Bruchteils F
von angelegter Spannung ist, die über dem ersten lateralen Widerstandssegment
zwischen der oberen Hauptdiode und dem ersten (inneren) vertikalen
Widerstandssegment abfällt,
als eine Funktion von Rvert/Rlat für 4, 6, 8 und 10 Segmente;
-
5 bis 8 schematische
Schnittansichten sind, die ähnlich
der 3 sind, aber unterschiedliche Ausführungen
des lateralen Widerstandspfades über
der peripheren Zone eines derartigen Bauelementes gemäß der Erfindung
veranschaulichen;
-
9 und 10 schematische
Schnittansichten eines Teils der aktiven Bauelementzone und der
peripheren Zone von zwei anderen Beispielen eines derartigen Bauelementes
gemäß der Erfindung sind,
wobei unterschiedliche Ausführungen
für die eingegrabenen
feldformenden Bereiche in der aktiven Bauelementzone und der peripheren
Zone veranschaulicht werden;
-
11 eine
schematische Schnittansicht eines Teils der aktiven Bauelementzone
und der peripheren Zone eines Beispiels eines Schottky-Gleichrichters
gemäß der Erfindung
ist und
-
12 eine
schematische Schnittansicht eines Teils der aktiven Bauelementzone
und der peripheren Zone eines weiteren Beispiels eines Bauelementes
gemäß der Erfindung
ist.
-
Man
sollte beachten, dass die 1 bis 4A und 5 bis 12 schematisch
sind, wobei relative Dimensionen und Proportionen um der Klarheit
und Annehmlichkeit Willen in den Zeichnungen übertrieben oder reduziert in
der Größe gezeigt sind.
Die gleichen Bezugszeichen werden allgemein benutzt, um auf entsprechende
oder ähnliche
Merkmale in den unterschiedlichen Ausführungsformen Bezug zu nehmen.
-
1 zeigt
eine Ausführungsform
eines Halbleiterbauelements umfassend einen monokristallinen Halbleiterkörper 10,
der eine Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 zwischen ersten und
zweiten Bauelementbereichen 21 und 22 enthält. Diese Bereiche 21 und 22 haben
an entsprechende erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen 11 und 12 des
Körpers 10 angrenzende
Elektrodenverbindungen. In diesem Beispiel sind die Bereiche 21 und 22 entsprechend
Quellen- und Senkenbereiche
eines Feldeffekttransistors und von Elektroden 31 und 32 kontaktiert.
Der Quellenbereich 21 ist auf die übliche Art von der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 durch
einen Kanal-aufnehmenden Körperbereich 23 (auch
manchmal „Basisbereich" genannt) des Transistors,
der einen p-n-Übergang 24 mit
der Zone 20 bildet, separiert. Die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 ist
ein Senken-Drift-Bereich des Transistors. Der Transistor ist von
der MOSFET-Art mit einem isolierten Gate 33, das von dem
Bereich 23 über eine
dazwischen liegende dielektrische Gateschicht 34 isoliert
ist, über
welche das Gate kapazitiv gekoppelt ist. Somit dient das Gate 33 in
einem leitenden Zustand des Transistors auf bekannte Weise zum Induzieren
und Steuern eines Leitungskanals in dem Bereich 23 zwischen
dem Senken- und Quellenbereich 21 und 22.
-
Das
Bauelement der
1 ist ebenso eines einer weiter
entwickelten Art mit eingegrabenen feldformenden Bereichen
40 wie
in
DE-A-198 48 828 ,
WO-A-01/59844 ,
WO-A-01/59846 und
WO-A-01/59847 offenbart.
Die eingegrabenen feldformenden Bereiche
40 erhöhen die
Durchbruchspannung des Bauelements.
-
Somit
sind Gräben 41 vorhanden,
die von der Oberfläche 11 in
den Körper 10 ausgedehnt
sind. Das Layout dieser Gräben 41 kann
in der Form einer Anordnung und/oder eines zusammengeschalteten Netzwerkes
und/oder einer charakteristischen Stückzahl von separaten Gräben gebildet
sein. Jeder feldformende Bereich 40 enthält in dem
Graben 41 einen Widerstandspfad 42, der dadurch
durch die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 in den mit
einer Elektrode verbundenen Bereich 22 ausgedehnt ist. Der
Pfad 42 ist mit den Elektroden 31 und 32 verbunden.
In einem Spannungs-Sperrungs-Zustand des MOSFETs der 1 ist
eine Verarmungsschicht von dem in Sperrrichtung vorgespannten p-n-Übergang 24 und von
den Seitenwänden
der Gräben 41 in
die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 ausgedehnt. Die
Abmessungen x und z und eine Dotierung n der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 sind
auf bekannte Weise so geeignet gewählt, dass die Zone 20 zwischen
den eingegrabenen feldformenden Bereichen 40 an freien
Ladungsträgern
in diesem Spannungs-Sperrungs-Zustand
verarmt ist.
-
Kurz
gesagt ergibt sich die Durchbruch-Erhöhung wie folgt. Ein kleiner
Verluststrom I1 geht durch die Widerstandspfade 42 zwischen
den Elektroden 31 und 32 und so wirken die Pfade 42 als
Widerstände,
die einen linearen Potentialgradienten und damit eine gleichmäßige elektrische
Feldverteilung erzeugen. Durch ein Gestalten der Abmessungen x der
Zone 20 ausreichend klein kann dieses gleichmäßige elektrische
Feld in die dazwischen liegenden Bereiche der Zone 20 durchgeführt werden (der
Driftbereich des MOSFET). Dies führt
zu einer Verringerung des elektrischen Spitzenfeldes in der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 und
einem entsprechenden Anstieg der Durchbruch-Spannung.
-
Da
das Bauelement auf diesem Prozess des Feldprofil-Formens beruht,
folgt jedoch, dass die verbesserten Eigenschaften derartiger Bauelemente empfänglich für Abweichungen
von einem flachen Feldprofil sind. Derartige Abweichungen können nahe
der Kante einer aktiven Bauelement-Zone A auftreten. Praktisch bedeutet
dies, dass das flache vertikale Feldprofil über eine gewisse Entfernung
hinter der Kante der aktiven Zone A beibehalten werden sollte, während auch
das laterale elektrische Feld innerhalb angemessener Grenzen gehalten
wird. Eine derartige Situation kann durch Übernehmen einer Kantenabschlussstruktur
gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht werden.
-
So
sind in dem Bauelement der 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 und die
eingegrabenen feldformenden Bereiche 40 sowohl in der aktiven Bauelementzone
A zwischen den mit einer Elektrode verbundenen Bereichen 21 und 22 als
auch in einer peripheren Zone P, die um die Peripherie der aktiven Zone
A ausgedehnt ist, vorhanden. Ein weiterer Widerstandspfad 53 erstreckt
sich über
die Oberfläche 11 nach
außen über die
periphere Zone P. Dieser weitere Widerstandspfad 53 stellt
einen Potentialteiler (siehe Segmente Rlat in 4A)
bereit, der jeweils mit aufeinanderfolgenden, darunter liegenden, eingegrabenen
feldformenden Bereichen 40 in der peripheren Zone P verbunden
ist. Dadurch ist das durch die aufeinanderfolgenden, eingegrabenen
feldformenden Bereiche 40 in der peripheren Zone P der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 angelegte Potential
abgestuft. Der sich ergebende mäßige laterale Übergang
wird später
mit Bezug auf 3 beschrieben.
-
Somit
sind die vertikalen Widerstandspfade 42 in der peripheren
Zone P jenseits der aktiven Zone A zwischen dem Elektrodenbereich 22 und
einem weiteren Widerstandspfad 53 verbunden, um eine graduelle Änderung
des Potentials um die Kante der aktiven Zone A bereitzustellen.
Die Größe eines
kleinen Verluststromes I3, der durch den lateralen Pfad 53 zu
den vertikalen Pfaden 42 läuft, kann leicht durch Auswählen eines
geeigneten spezifischen Widerstands für das Material (oder Materialien)
des Pfads 53 und durch Auswählen einer geeigneten Länge für den eine
Verbindung mit den darunter liegenden, eingegrabenen feldformenden
Bereichen 40 herstellenden Pfad 53 passend gemacht
werden. Man sollte beachten, dass dieser Kanten-Verluststrom I3
(durch den lateralen Pfad 53) in derartigen Bauelementen,
die durch ihr Design einen kleinen Verluststrom I1 (durch die vertikalen
Pfade 42) aufweisen, akzeptabel ist. Die Größe der Verlustströme I2, die
durch die vertikalen Pfade 42 in der peripheren Zone P
fließen,
nimmt, um so weiter der Pfad 42 von der aktiven Zone A
entfernt ist, ab.
-
Die
periphere Zone P, bei der die aufeinanderfolgenden eingegrabenen
feldformenden Bereiche 40 mit dem Potentialteiler verbunden
sind, kann lateral über
eine Entfernung y von der aktiven Bauelementzone A ausgedehnt sein,
die größer als
die halbe Dicke z der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 und
kleiner als 4 mal die Dicke z ist. Typisch ist die Entfernung y
zwischen 1 und 3 mal die Dicke z. Durch Übernehmen der vorliegenden
Erfindung kann eine optimale graduelle Veränderung im Potential in der
peripheren Zone P der Zone 20 sogar über eine kurze Entfernung y
erreicht werden. Somit kann ein kompaktes Bauelement gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet werden.
-
1 zeigt
lediglich einen äußeren Teil
der aktiven Zone A und zeigt die über die ganze Entfernung zu
der Kante 13 des Körpers 10 ausgedehnte periphere
Zone P. Lediglich drei periphere, eingegrabene feldformende Bereiche 40 sind
in 1 im Weg eines veranschaulichenden Beispiels gezeigt.
Mehrere derartige eingegrabene feldformende Bereiche 40 würden normal über solch
einem Abschnitt der peripheren Zone P enthalten sein.
-
2A, 2B & 2C veranschaulichen schematisch
drei verschiedene Layouts für
diese eingegrabenen feldformenden Bereiche 40 in der aktiven
Bauelementzone A und in der peripheren Zone P eines zellenförmigen Leistungs-MOSFETs.
Die aktive Zone A ist durch die Gegenwart der MOS-Gates 33 der
aktiven MOS-FET-Zellen
angezeigt. In 2A und 2B sind
die eingegrabenen feldformenden Bereiche 40 in der aktiven
Zone A in der Form eines Netzwerkes, das um charakteristische mittige
Gates 33 jeder MOSFET-Zelle ausgedehnt ist. In 2C sind
die Gates 33 in der Form eines Netzwerkes, das um charakteristische
mittige, eingegrabene feldformende Bereiche 40c jeder Zelle
in der aktiven Zone A ausgedehnt ist. Quadratanordnungs-Geometrien
für die
Netzwerke sind in den Zeichnungen der Einfachheit halber gezeigt,
es können
aber auch andere Geometrien benutzt werden wie zum Beispiel eine
dicht gepackte hexagonale Anordnungsgeometrie.
-
In 2A sind
die eingegrabenen feldformenden Bereiche 40 in der aktiven
Zone A in der Form eines Netzwerks, das in die periphere Zone P ausgedehnt
ist, um die eingegrabenen feldformenden Bereiche 40a in
der peripheren Zone P bereitzustellen. In 2B und 2C sind
eingegrabene feldformende Bereiche 40b und 40c in
der peripheren Zone P eine separierte Vielzahl von der (den) Bereich(en) 40 in
der aktiven Bauelementzone A. In 2B umfassen
die Bereiche 40b in der peripheren Zone P konzentrische,
ringförmige
Streifenbereiche, die die aktive Bauelementzone A umgeben. In 2C umfassen
die eingegra benen feldformenden Bereiche 40c in der peripheren
Zone P separate Inselbereiche, die um die periphere Zone P verteilt sind.
-
Es
ist ebenso möglich,
eine Kombination dieser unterschiedlichen Gestaltungen der eingegrabenen
feldformenden Bereiche 40 in der peripheren Zone P zu haben.
So können
die innersten Bereiche 40 der peripheren Zone P zum Beispiel
Ausdehnungen des Netzwerks aktiver Zonen (der 2A und 2B)
umfassen, die in einen angrenzenden Teil der peripheren Zone P ausgedehnt
sind. Diese Netzwerkausdehnungen 40a können von einer Verteilung von
separierten Inselbereichen 40c (2C) und von
einem oder mehreren äußersten
ringförmigen Bereich(en) 40b (2B)
umgeben werden.
-
Die
verschiedenen Bauelementteile in der aktiven Bauelementzone A können aus
bekannten Materialien, Dotierungskonzentrationen, Abmessungen und
einem bekannten Aufbau gebildet sein. Typischerweise sind die Widerstandspfade 42 aus
semiisolierendem Material, zum Beispiel polykristallinem, mit Sauerstoff
und/oder Stickstoff dotiertem Silizium. Wie in 1 veranschaulicht,
können
die Pfade 42 von der Zone 20 und dem Bereich 23 durch
eine dünne
isolierende Schicht 44 zum Beispiel aus Siliziumdioxid
separiert sein. Die gleichen Materialien und der Aufbau können für die feldformenden
Bereiche 40 in der Ausdehnung der Zone 20 in der
peripheren Zone P des Bauelementes benutzt werden. In einem typischen
Beispiel in einem Siliziumkörper 10 kann die
Zone 20 eine gleichförmige
Dotierkonzentration in dem Bereich von 5 × 1015 bis
5 × 1016 Arsen- oder Phosphoratome × cm–1 und
der Abstand px der eingegrabenen feldformenden
Bereiche kann in dem Bereich von 2 μm (Mikrometer) bis 10 μm sein. Die
Dicke z der Zone 20 steht in Beziehung mit der gewünschten
Durchbruchspannung des Bauelementes. Für Durchbruchspannungen von
zwischen 60 V und 1 kV ist die Dicke z gewöhnlich in dem Bereich von 3 μm (Mikrometer)
bis 50 μm.
-
1 veranschaulicht
eine Graben-Gate-MOST-Konfiguration, in der das Graben-Gate 33 über die
Dicke des p-Typ-Körperbereichs 23 bis
zu dem Senken-Driftbereich 20 ausgedehnt
ist. Jedoch kann alternativ eine DMOST-Konfiguration realisiert
sein, in der ein planares Gate 33 auf einem Gatedielektrikum 34 auf
der Oberfläche 11 vorhanden
ist. Im DMOST ist die Senken-Driftbereich 20 bis zu der
Oberfläche 11 unterhalb
der Mitte des Gates 33 ausgedehnt. Die vorlie gende Erfindung kann
auch für
einen Diodengleichrichter benutzt werden, der einen p+-Anodenbereich 23 und
einen n+-Kathodenbereich als seine Hauptelektrodenbereiche
aufweist, die durch die dazwischen liegende Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 separiert sind.
Somit sind dort keine Bauelementteile 21, 33 & 34 in
einem solchen Diodengleichrichter und der p-Typ-Bereich 23 ist
durchgehend abgesehen von seiner Unterbrechung durch die feldformenden
Bereiche 40.
-
3 ist
eine vereinfachte Prinzipskizze, die mehr im Allgemeinen zur Darstellung
von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Ausführungsform
mit Graben-Gate-MOSFET, einer DMOST-Ausführungsform und einer Ausführungsform
mit einem PN-Diodengleichrichter verwendbar ist. Eine derartige
vereinfachte Prinzipskizze wird auch in 5 bis 10 und 12 verwendet,
die ebenfalls allgemein anwendbar sind zum Beispiel auf Graben-Gate-MOSFET-, DMOST-
und PN-Diodengleichrichter-Ausführungsformen.
-
3 zeigt
eine Hauptelektrode 31 des Bauelementes, die eine einfache
Elektrodenverbindung mit den vertikalen Widerstandspfaden 42 in
der aktiven Bauelementzone A und mit dem lateralen Widerstandspfad 53 des
Potentialteilers bereitstellt. In den PN-Diodengleichrichter-Ausführungsformen
ist diese Elektrode 31 die Anode, die mit dem p-Typ-Anodenbereich 23 verbunden
ist. In den MOST-Ausführungsformen
ist diese Elektrode 31 die Quelle, die mit dem n-Typ-Quellenbereich 21 verbunden
ist und auch gewöhnlich
irgendwo in dem Bauelementlayout mit dem p-Typ-Körperbereich 23 kurzgeschlossen ist.
Die von dem Bauelement zu blockierende Spannung wird zwischen den
Hauptelektroden 31 und 32 an den gegenüberliegenden
Oberflächen 11 und 12 des
Bauelementkörpers 10 angelegt.
-
1 und 3 veranschaulichen
sowohl die n-Typ-Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 als auch
den bis zu der Kante 13 des Körpers 10 ausgedehnten
p-Typ-Bereich 23. Dies ist ein einfacher Aufbau, der leicht
herzustellen ist. Mit dem Layoutdesign der 2A und 2B teilen
die Bereiche 40 in der peripheren Zone P die Ausdehnung
des p-Typ-Bereichs 23 in separate Bereiche, die elektrisch
voneinander isoliert sind, ausgenommen insoweit, als sie durch die
Schicht von Widerstandsmaterial des Pfades 43 kontaktiert
werden können.
Wie später
beschrieben, kann das für
den Pfad 53 gewählte
Widerstandsmaterial (zum Beispiel Sauerstoff-dotiertes polykristallines
Silizium) tatsächlich
eine elektrische Barriere an seiner Übergangsfläche mit diesen separaten p-Typ-Bereichen 23 bilden.
Mit dem Layoutdesign der 2C ist
die Ausdehnung des p-Typ-Bereichs 23 in
der peripheren Zone P ein elektrisch durchgehender Bereich, in dem
die feldformenden Bereiche 40 verteilt sind. Dieser durchgehende
periphere Bereich 23 kann von dem darüber liegenden Widerstandspfad 53 isoliert
sein. Alternativ kann (können)
der (die) Bereich(e) 23 aus der peripheren Zone P weggelassen
werden.
-
Die
vereinfachte schematische Darstellung der 3 veranschaulicht
einen grundlegenden zur Modellierung der Feldprofile in dem Sperrungszustand
des Bauelementes benutzten Bauelementaufbau, wobei die Zone 20 zwischen
den feldformenden Bereichen 40 verarmt ist. Die Modellierung
schloss eine Variation des Widerstandsverhältnisses Rvert/Rlat der vertikalen
und lateralen Pfade 42 und 53 und eine Variation
der Zahl der über
einen Widerstandspfad 53 in der peripheren Zone P verbundenen Bereiche 40,
d. h. eine Variation der Entfernung y in 1 ein. Die
Dicke z der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 wird durch
die gewünschte
Spannungssperrungs-Fähigkeit
wie bereits beschrieben bestimmt. Diese Dicke z bestimmt auch die
minimale Länge
L der vertikalen Pfade 42. Eine Streifengeometrie wurde
für die
gesamten feldformenden Bereiche 40 angenommen, d. h. mit
senkrecht zur Zeichnungsebene ausgedehnten Streifen. Ferner wurde angenommen,
dass die verschiedenen p-Typ-Bereiche 23 zwischen den gestreiften
Bereichen 40 nicht miteinander verbunden sind, so dass
sie ihre Spannung von der Wechselwirkung mit der oberen Widerstandsschicht
erhalten, die den Pfad 53 bereitstellt.
-
Die
gestrichelten Linien V2 in 3 zeigen Äquipotentiallinien,
die einen mäßigen lateralen Übergang
anzeigen. Diese Streifengeometrie verwendende Simulationen wurden
durchgeführt,
um den zum Erreichen eines mäßigen Spannungsabfalls erforderlichen
spezifischen Widerstand abzuschätzen.
Die Widerstandssegmente der Größe Rvert
und Rlat in den jeweiligen vertikalen und lateralen Pfaden 42 und 53 des
Kantenabschlusses wurden unter Benutzung des einfachen Netzwerkes
von Widerständen
Rvert und Rlat der 4A dargestellt. Die Bodenelektrode
(und daher der Elektrodenbereich) war auf Erdpotential, wobei die
Spannung an die obere Elektrode 31 angelegt war. 4A zeigt
eine besondere Situation, in der die Spannungsabstufung über den
durch den lateralen Pfad 53 gebildeten Potentialteiler über drei
vertikale Pfade 42 erfolgt. Dies ist ein Schema mit drei
Segmenten für
den Kantenabschluss. 4B zeigt den Bruchteil F der
angelegten Spannung, der über
dem ersten Widerstandssegment des Pfades 53 zwischen Elektrode 31 und
dem ersten vertikalen Pfad 53, der jenseits der Elektrode 31 ist,
abfällt,
als eine Funktion von Rvert/Rlat. Die unterschiedlichen Linienplots
sind die Ergebnisse von Kantenabschlüssen mit 4, 6, 8 und 10 Segmenten.
-
Es
folgt aus 4B, dass die Größe (in Ohm)
des lateralen Widerstands Rlat um einen Faktor in dem Bereich von
10 bis 500 (d. h. wenigstens eine Größenordnung) kleiner sein sollte
als der vertikale Widerstand Rvert, um einen Spannungsabfall von
zwischen 5% und 25% der gesamten an dem ersten Segment angelegten
Spannung zu erreichen (d. h. über
dem ersten lateralen Widerstand Rlat direkt nahe der aktiven Zone
A). Die Situation hinsichtlich des spezifischen Widerstandes (Ohm × cm) ist durch
die Tatsache, dass der spezifische Widerstand der oberen Widerstandsschicht 53 lokal
durch eine Wechselwirkung mit der darunter liegenden Struktur, zum
Beispiel durch eine Wechselwirkung mit dem p-Typ-Bereich 23 in 1 und 3 beeinflusst
werden könnte,
leicht kompliziert.
-
In
einem extremen Fall könnte
kein Spannungsabfall auftreten, wo der laterale Widerstandspfad
53 in
Kontakt mit durchaus hoch dotierten (p
+) darunter
liegenden Bereichen
23 ist. Dieser extreme Fall würde die
Zone begrenzen, in der ein lateraler Spannungsabfall in dem Bereich
direkt über
den vertikalen Sl-Schichten (oder ungefähr der Hälfte der Gesamtfläche bei
gleicher Graben- und Messbreite) auftritt. Unter Berücksichtigung
dieser Extremsituation kann eine Abschätzung für den spezifischen Widerstand
der den lateralen Widerstandspfad
53 bereitstellenden Schicht
gegeben werden durch:
wobei
- ρlat
- der spezifische Widerstand
der Materialschicht des lateralen Pfades 53 ist,
- ρvert
- der spezifische Widerstand
des Materials des vertikalen Pfades 42 ist,
- L
- die Länge des
vertikalen Pfades 42 ist,
- ρx
- der Abstand (Zwischenraum
von Mitte zu Mitte) der vertikalen Pfade 42 ist,
- w
- die Breite des vertikalen
Pfades 42 ist und
- d
- die Dicke der Schicht
des lateralen Pfades 53 ist.
-
Es
sollte beachtet werden, dass es nicht notwendig ist, dass der spezifische
Widerstand ρlat des Schichtmaterials des lateralen Pfades 53 über den gesamten
Kantenabschluss konstant ist. Es kann sogar vorteilhaft sein, einen
niedrigen spezifischen Widerstand nahe der Kante der aktiven Zone
A (um den Spannungsabfall zu steuern) und dann weiter entfernt einen
höheren
spezifischen Widerstand zu benutzen (um den Verluststrom und die
Kantenabschlussbreite y zu verringern). Eine Vielzahl von möglichen
Ausführungen
ist in 5 bis 8 veranschaulicht.
-
In
der Ausführung
der 5 läuft
eine mit der Elektrode 31 verbundene Widerstandsschicht 53a lateral über mehrere
eingegrabene feldformende Bereiche 40 und p-Typ-Bereiche 23,
um an einer Isolierschicht 54 zu enden. Die Widerstandschicht 53a kann
zum Beispiel undotiertes polykristallines Silizium oder polykristallines
Silizium sein, das nur leicht mit einem leitenden Dotierstoff dotiert
ist, zum Beispiel Bor oder Phosphor. Die Isolierschicht 54 kann zum
Beispiel Siliziumdioxid umfassen. 5 zeigt zusätzliche,
eingegrabene feldformende Bereiche 40a unter der Isolierschicht 54.
Obwohl diese äußersten
Bereiche 40a nicht mit der Widerstandsschicht 53a verbunden
sind, sind sie mit dem Bodenelektrodenbereich 22 und in
der Konfiguration der 2A auch untereinander verbunden.
Diese zusätzlichen, eingegrabenen
feldformenden Bereiche 40a brauchen jedoch nicht in dem
Aufbau der 5 vorgesehen zu werden. Wie
in 5 veranschaulicht, könnte der (die) p-Typ-Bereich(e) 23 auch
unterhalb der Isolierschicht 54 weggelassen werden.
-
Die
Ausführung
der 6 ist ähnlich
derjenigen der 5, ausgenommen, dass nun die
Widerstandsschicht 53a an einer anderen Widerstandsschicht 53b endet,
die aus einem Material mit viel größerem Widerstand besteht. Somit
hat der Pfad 53, der den Potentialteiler bereitstellt,
einen Widerstand, der bis auf einen höheren Wert ansteigt, wo er
mit den äußersten
eingegrabenen feldformenden Bereichen 40 verbunden ist.
Somit wird ein nicht linearer Potentialgradient für den Potentialteiler
erreicht. Die Schicht 53b kann aus semiisolierendem Material, zum
Beispiel polykristallinem Silizium sein, das mit Sauerstoff und/oder
Stickstoff dotiert ist. Als solcher kann ihr Widerstand um eine
Größenordnung
höher als
derjenige der Schicht 53a sein. Die Schicht 53b kann
aus dem gleichen semiisolierenden Material sein, das die vertikalen
Pfade 42 in den Gräben 41 bereitstellt.
Wo mit den inneren eingegrabenen feldformenden Bereichen 40 verbunden,
kann die Widerstandspfadschicht 53 eine Schicht 53a aus
undotiertem oder leicht dotiertem polykristallinen Silizium wie in 5 umfassen.
-
Die
Ausführung
der 7 ist ähnlich
derjenigen der 5 und 6 mit der
Ausnahme, dass semiisolierendes Material (zum Beispiel polykristallines,
mit Sauerstoff und/oder Stickstoff dotiertes Silizium) für die Schicht 53c verwendet
wird, die den Widerstandspfad 53 bildet. Jedoch ist diese
Schicht 53c zusätzlich
mit einem Leitfähigkeits-Dotierstoff
dotiert, um stärker
als das semiisolierende Material der eingegrabenen feldformenden
Bereiche leitend zu sein. Der leitfähige Dotierstoff kann zum Beispiel
Bor oder Phosphor sein, das in die Schicht 53c Ionen-implantiert
ist. Diese zusätzliche
leitfähige
Dotierung ist durch Bezugszeichen 53d in 7 veranschaulicht. Die
leitfähige
Dotierungsdosis kann lateral gleichförmig entlang der Schicht 53c sein.
Alternativ bekannte abgestufte, teilweise Maskierungstechniken können während der
Implantation benutzt werden, um die Dotierung 53d von einer
hohen Dosis nahe der aktiven Zone A auf eine geringere Dosis zu
den äußeren, feldformenden
Bereichen 40 hin abzustufen. Somit kann der durch die dotierte
Schicht 53c, 53d gebildete Widerstandspfad einen
Widerstand aufweisen, der auf einen höheren Wert in Richtung auf
die äußersten Bereiche 40 ansteigt.
Der Dotierungsgradient kann schneller verringert werden, wenn die
Schicht 53c die äußersten
feldformenden Bereiche 40 erreicht, wodurch der Potentialgradient
schneller ansteigt. Die dotierte Schicht 53c, 53d kann
an einer semiisolierenden Schicht 53b wie in 6 oder
an einer isolierenden Schicht 54 wie in 5 enden.
-
Die
Ausführung
der 8 ist ähnlich
derjenigen von 7, indem sie eine Schicht 53c aus
semiisolierendem Material aufweist. In 8 wird der spezifische
Widerstand der Schicht 53c jedoch auf eine unterschiedliche
Weise verringert, nämlich durch
Vorsehen von metallenen Feld-Platten. So weist in diesem Bauelement
die Schicht 53c aus semiisolierendem Material leitende
Feld-Platten 51 auf dem semiisolierenden Material an der
Fläche
der eingegrabenen feldformenden Bereiche 40 auf, um mit weniger
Widerstand als das semiisolierende Material 42 der Bereiche 40 behaftet
zu sein. Anstelle des auf dem semiisolierenden Material 53c abgeschiedenen Metalles
könnten
leitende Feld-Platten 51 lokal in dem semiisolierenden
Material 53c durch zum Beispiel Ionenimplantation eines
Leitfähigkeitstyp-Dotierstoffes
gebildete Bereiche sein.
-
Die
eingegrabenen feldformenden, soweit in 1 & 3, & 5 bis 8 veranschaulichten Bereiche 40 haben
ihre Gräben 41 mit
dem semiisolierenden Material gefüllt, das die vertikalen Widerstandspfade 42 bildet.
In dem Fall stellt die Breite w des Grabens 41 den Querschnitt
bereit, der den Widerstand Rvert des Pfads 42 wie in 3 veranschaulicht
bestimmt. Ein zusätzlicher
Freiheitsgrad bei der Bestimmung des Widerstandes Rvert (auf einen
optimalen Wert höher
als Rlat) kann durch die Modifikation von 9 erreicht
werden.
-
In
9 umfasst
der Widerstandspfad
42 der eingegrabenen feldformenden
Bereiche
40 eine Widerstandsschicht
42, die entlang
der Seitenwände der
Gräben
41 ausgedehnt
ist. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, kann die Widerstandsschicht
42a auch über den
Boden jedes/des Grabens
41 ausgedehnt sein. Ein isolierendes
Füllmaterial
46 ist
auf der Widerstandsschicht
42a vorhanden, um den Rest des
Grabens
41 zu füllen.
In diesem Fall bildet die Dicke der Schicht
42a den Querschnitt,
der den Widerstand Rvert des Pfades
42 festlegt. Typischerweise umfasst
die Schicht
42a ein semiisolierendes Material zum Beispiel
polykristallines, mit Sauerstoff und/oder Stickstoff dotiertes Silizium.
Das isolierende Füllmaterial
46 kann
zum Beispiel abgeschiedenes Siliziumdioxid sein. Ein derartiger
Aufbau für
die aktive Bauelementzone ist in
DE-A-198 48 828 ,
WO-A-01/59844 ,
WO-A-01/59846 und
WO-A-01/59847 offenbart.
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (zum Beispiel Modifikationen der
5 bis
8)
können
einen derartigen Aufbau sowohl für
die aktive Zone A als auch für
die periphere Zone P verwenden.
-
In
all den soweit veranschaulichten Ausführungsformen ist die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 ein
Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps (n-Typ), der bis zu
der isolierten Seitenwand des Grabens 41 ausgedehnt ist.
-
10 veranschaulicht
eine Modifikation, bei der die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone
20 eingeschobene
erste und zweite Halbleiterbereiche
20a und
20b eines
ersten bzw. zweiten Leitfähigkeits-Typs
(n-Typ & p-Typ)
umfasst. Die n-Typ-Bereiche
20a sind
von den Seitenwänden
der Gräben
41 durch
die p-Typ-Bereiche
20b getrennt.
Die Abmessungen und Dotierstoffkonzentrationen dieser Bereiche
20a und
20b sind
derart, dass, wenn die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone
20 (
20a,
20b)
in der Spannungs-Sperrungsbetriebsart verarmt ist, diese verarmten
Zonen
20a und
20b eine Raumladung pro Einheitsfläche aufweisen,
die im Wesentlichen ausgeglichen ist. Die primäre Aufgabe des p-Typ-Bereiches
20b ist
jedoch, als eine Abschirmung für übrigbleibende
Ladung in der Widerstandsschicht
42 in dem Ein-Zustand
des Bauelementes zu wirken. Ein derartiger Aufbau für die aktive
Bauelementzone ist in
DE-A-198
48 828 und
WO-A-01/59846 offenbart. Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (zum Beispiel Modifikationen der
5 bis
8)
können einen
derartigen Aufbau sowohl für
die aktive Zone A als auch die periphere Zone P verwenden.
-
Die
verschiedenen soweit veranschaulichten Ausführungen für die Widerstandspfade 42 und 53 und
die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 können für viele
Bauelementarten gemäß der Erfindung benutzt
werden. Besondere Beispiele sind MOSFETs mit eingegrabenem Gate,
DMOS-Transistoren, PN-Gleichrichterdioden und Schottky-Gleichrichterdioden.
-
11 veranschaulicht
eine Schottky-Gleichrichterdiodenausführungsform. In einer derartigen
Diode ist die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 bis zur
oberen Oberfläche 11 des
Körpers 10 in
der aktiven Bauelementzone A ausgedehnt, wobei eine Schottky-Barriere 24A mit
der Anoden-Elektrode 31a gebildet wird. Diese Schottky-Elektrode 31a bildet
den oberen Elektrodenbereich des Bauelementes wirksam und sie kann
unterschiedliche bekannte Formen aufweisen. Somit kann die Elektrode 31a vollständig aus
Metall wie zum Beispiel Wolfram sein, das die Barriere 24a mit
der n-Typ-Siliziumzone 20 bildet und ebenso die Elektrodenverbindung 31 bildet.
Alternativ kann die Elektrode 31a eine Zusam mensetzung
zum Beispiel aus dickem Aluminium sein, welche die Elektrodenverbindung 31a auf
einem dünnen
Metall oder einem Metallsilizid wie zum Beispiel Titan- oder Platinsilizid
bildet, das die Barriere 24a bildet.
-
In
einem Schottky-Gleichrichter gemäß der vorliegenden
Erfindung sind eingegrabene feldformende Bereiche 40 sowohl
in der aktiven Bauelementzone A als auch in der peripheren Zone
P vorhanden. Der laterale Widerstandspfad 53 ist in der
peripheren Zone P als ein Potentialteiler für deren Bereiche 40 vorgesehen.
Die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 ist bis zu der
oberen Oberfläche 11 des
Körpers
zwischen den eingegrabenen feldformenden Bereichen wenigstens in
der aktiven Zone A ausgedehnt. In dem besonderen Beispiel der 11 ist
ein ringförmiger
p-Typ-Schutzbereich 23a um die Außenseite der aktiven Zone A
an der Außenkante der
Schottky-Elektrode 31a an der Oberfläche 11 vorhanden.
-
In
den soweit veranschaulichten Ausführungsformen ist ein Halbleiterbereich 23 oder 23a des
entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typs
(p-Typ) zwischen der n-Typ-Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 (oder
ihres n-Typ-Bereichs 20a) und der oberen Oberfläche 11 des
Körpers 10 vorhanden und
isoliert den lateralen Widerstandspfad 23 elektrisch von
diesem/dieser n-Typ-Bereich/Zone. Modifizierte Bauelementausführungen
sind jedoch möglich, bei
denen der Bereich 23 oder 23a des entgegengesetzten
Leitfähigkeits-Typs
in dieser Zone fehlt. Eine Ausführungsform
mit dem weggelassenen peripheren Bereich 23, 23a ist
in 12 veranschaulicht.
-
In
dem Bauelement der 12 ist eine Isolierschicht 54a an
der oberen Oberfläche 11 des
Körpers 10 vorhanden,
um die Spannungsaufrechterhaltungs-Zone von dem lateralen Widerstandspfad 53 zu
isolieren. Fenster sind in der isolierenden Schicht 54a vorhanden,
wo der weitere Widerstandspfad 53 mit den eingegrabenen
feldformenden Bereichen 40 verbunden ist. Eine derartige
Modifikation kann für viele
Bauelementarten gemäß der Erfindung
zum Beispiel MOSFETs mit eingegrabenem Gate, DMOS-Transistoren,
PN-Gleichrichterdioden und Schottky-Gleichrichterdioden verwendet
werden. 12 veranschaulicht ihre Verwendung
in entweder einer PN-Diode mit einem Anodenbereich 23 in der
aktiven Zone A oder einem MOS-Transistor mit einem p-Typkörperbereich 23 in
der aktiven Zone A.
-
Der
laterale Widerstandspfad 53 kann in Kontakt mit dem darunter
liegenden, an die Oberfläche
angrenzenden Aufbau des Körpers 10 einiger Bauelementstrukturen
sein. In diesem Fall kann eine gewisse elektrische Wechselwirkung
zwischen dem lateralen Pfad 53 und dem darunter liegenden,
an die Oberfläche
angrenzenden Körperaufbau,
wie zuvor mit Bezug auf 3 erwähnt, auftreten. Der Kontakt kann
mit zum Beispiel einem p-Typ-Bereich 23 oder 23a oder
mit der n-Typ-Zone 20 sein,
wo sie sich bis zu der Oberfläche
erstreckt. Diese Wechselwirkung kann durch Einbringen einer Barriere
zwischen dem Pfad 54 und der an die Oberfläche angrenzenden Zone 20 oder
dem Bereich 23, 23a verringert oder sogar eliminiert
werden. Die Barriere kann ein p-n-Übergang oder eine isolierende
Schicht sein.
-
Die
p-n-Übergangsbarriere
kann durch bewusstes Dotieren des Materials des Pfads 54 (widerstandsbehaftet
oder semiisolierend) gebildet werden, um einen zu demjenigen der
an die Oberfläche
angrenzenden Zone 20 oder des Bereichs 23, 23a entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp
zu haben. In dem Fall einer Sauerstoff-dotierten polykristallinen
Siliziumschicht 53b, 53c besteht die Neigung,
dass sich deren Grenzfläche
mit einer monokristallinen Siliziumoberfläche 11 in mancher
Hinsicht so verhalten wird, als ob sie ein p-n-Übergang sei.
-
Die
Wechselwirkung kann durch Vorsehen einer isolierenden Zwischenschicht
54a der
12 zwischen
dem Pfad
53 und der an die Oberfläche angrenzenden Zone
20 oder
dem Bereich
23,
23a eliminiert werden. Wenn eine
vollständige
Isolierung nicht erwünscht
ist, kann jedoch ein sehr begrenzter abgestufter Stromfluss zwischen
dem Pfad
53 und dem darunter liegenden, an die Oberfläche angrenzenden Aufbau
zwischen den eingegrabenen feldformenden Bereichen
40 mit
einbezogen sein. Dies kann mit einer sehr dünnen Zwischenisolierungsschicht
erreicht werden, durch welche ein Tunneln erfolgen kann und die,
wie in
US-A-4,375,125 offenbart,
gebildet sein kann.
-
In
all den soweit veranschaulichten Ausführungsformen ist der Widerstandspfad 42 der
eingegrabenen feldformenden Bereichen von der Spannungsaufrechterhaltungs-Zone 20 durch
eine Isolierschicht 44 auf den Seitenwänden des Grabens 41 separiert.
Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei
denen die Isolierschicht 44 von den eingegrabenen feldformenden
Bereichen 40 der aktiven Zone A und der peripheren Zone
P weggelassen ist.
-
Vom
Lesen der vorliegenden Offenbarung werden den Fachleuten andere
Veränderungen
und Modifikationen innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche offensichtlich
werden.
