DE102004007196A1

DE102004007196A1 - Randabschluss für Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102004007196A1
Application number: DE102004007196A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Hirler; Frank Dr. Pfirsch; Anton Dr. Mauder
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Randabschluss für ein hochsperrendes Halbleiterbauelement. Der Randabschluss besteht aus einem high-k-Material (9), das durch Polarisation Kompensationsladungen für eine sich im Halbleiterkörper (1) ausbreitende Raumladungszone erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Randabschluss für ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, auf dem wenigstens zwei Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, so dass im Halbleiterkörper eine Raumladungszone entsteht.
Halbleiterbauelemente sowie Gruppierungen von gleichartigen Halbleiterbauelementen haben notwendigerweise infolge ihrer endlichen Ausdehnung einen Randbereich, in welchem, wie weiter unten näher erläutert werden wird, erhöhte elektrische Feldstärken auftreten. Daher muss bei Halbleiterbauelementen, an die höhere Spannungen angelegt werden und die sich somit durch eine hohe Spannungsfestigkeit auszeichnen sollen, der Randbereich in geeigneter Weise so strukturiert werden, dass auch dort die für das Halbleiterbauelement vorgesehene Durchbruchspannung erreicht wird.
Eine weitere Aufgabe von Randbereichen von Halbleiterbauelementen ist darin zu sehen, dass sie eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen oder bei randlagigen Halbleiterbauelementen eine elektrische Isolation zu einer Sägekante gewährleisten.
Die Erreichung der vorgesehenen Durchbruchspannung im Randbereich eines Halbleiterbauelementes ist problematisch, weil sein sperrender pn-Übergang dort zwangsläufig eine Krümmung aufweist, welche zu einer Erhöhung der elektrischen Feldstärke führt, woraus wiederum eine Absenkung der Durchbruchspannung resultiert.
Die Strukturierung des Randbereiches eines Halbleiterbauelementes für die Erzielung einer hohen Durchbruchspannung ist somit von großer Bedeutung. Selbstverständlich sollten Lösungen dieses Problems auch eine gute Langzeitstabilität gewährleisten und beispielsweise unempfindlich gegenüber zwangsläufig auftretenden Grenzflächenladungen sein.

Im Einzelnen gibt es seit langer Zeit verschiedene Lösungsansätze zur Strukturierung des Randbereiches eines Halbleiterbauelementes, um die oben aufgezeigte Problematik zu überwinden:

(a) Bevorzugt werden floatende Feldringe eingesetzt (vgl. hierzu B. J. Baliga: Modern Power Devices (John Wiley & Sons, 1987)). Solche floatende Feldringe sehen, wie in 4 gezeigt ist, in welcher eine Diode mit einem n^–-leitenden Halbleiterkörper 1, einer p-leitenden Anodenzone 2, einer Kathode (K) 3 und einer Anode (A) 4 dargestellt ist, ringförmige, voneinander getrennte Dotierungsgebiete 5 um einen sperrenden pn-Übergang 6 zwischen der Anodenzone 2 und dem n^–-leitenden Halbleiterkörper 1 vor. Diese Dotierungsgebiete sind bei einer p-leitenden Anodenzone 2 p-leitend und in ihrem Potenzial nicht festgelegt. Das Potenzial der Dotierungsgebiete 5 stellt sich zwischen den Werten des Potenzials an den beiden Elektroden 3, 4 ein, an welchen die Sperrspannung für den pn-Übergang 6 anliegt. Die die Feldringe bildenden Dotierungsgebiete 5 werden im Sperrfall nicht ausgeräumt und führen zu einer lateralen Aufweitung der sich im Halbleiterkörper 1 ausbreitenden Raumladungszone und damit zu einer Verringerung der dort auftretenden elektrischen Feldstärke. Die Aufteilung des Potenzials zwischen den die Feldringe bildenden Dotierungsgebieten 5 und damit die Sperrfähigkeit der Diode hängen allerdings deutlich von Oberflächenladungen auf dem Halbleiterkörper 1 oder von in einer dort vorgesehenen Isolierschicht enthaltenen so genannten Oxidladungen ab, was die Langzeitstabilität eines derartigen Randabschlusses beeinträchtigt (vgl. hierzu auch H. Yilmaz: Optimization and surface charge sensitivity of high-voltage blocking structures with shallow junctions, IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. ED-38, Nr. 7 (1991), S. 1666–1675).
(b) Ein anderer Randabschluss für hochsperrende Halbleiterbauelemente verwendet Feldplatten (vgl. Baliga, S. 116 ff.). Bei diesen Feldplatten handelt es sich um Schichten mit hoher Leitfähigkeit aus beispielsweise Metall oder polykristallinem Silizium. Diese Feldplatten sind mit einer der Elektroden verbunden und befinden sich in bzw. auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorgesehenen Isolierschicht aus vorzugsweise Siliziumdioxid. Eine derartige Feldplatte 7 ist in 5 für das Beispiel einer Diode gezeigt. Die Feldplatten, wie beispielsweise die Feldplatte 7 in 5, führen das Potenzial der Elektrode, also im vorliegenden Beispiel das Potenzial der Anode 4, lateral über den pn-Übergang 6 hinaus, wobei der Abstand der Feldplatte zum Halbleiter mit zunehmender Distanz zur Anode 4 zunimmt. Dadurch wird – ähnlich wie bei floatenden Feldringen – eine seitliche Aufweitung der Raumladungszone erreicht. Feldplatten werden auch bei Driftstrecken von lateralen Transistoren eingesetzt. Es sei darauf hingewiesen, dass bei Feldplatten die Abhängigkeit von Oberflächenladungen geringer als bei Feldringen ist. Jedoch werden für hochsperrende Halbleiterbauelemente mit Feldplatten im Randbereich für höhere Spannungen relativ dicke Isolierschichten unter den Feldplatten benötigt, was einen erheblichen Fertigungsaufwand bedeutet. So werden für Spannungen von etwa 1200 V maximale Schichtdicken der Isolierschicht unterhalb der Feldplatte von etwa 8 μm als notwendig erachtet.
(c) Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Durchbruchspannung im Randbereich von hochsperrenden Halbleiterbauelementen besteht in der Verwendung einer so genannten "Junction Termination Extension" (JTE), bei der es sich um eine niedrig dotierte laterale Fortsetzung des hochdotierten Teiles eines pn-Überganges handelt (vgl. hierzu Baliga, Seiten 113 ff., und Yilmaz). Eine solche JTE ("Übergangsabschlusserweiterung") 8 ist in Strichlinien schematisch in 5 angedeutet, wobei die Feldplatte 7 in diesem Fall fehlen kann. Die JTE wird im Sperrfall zu einem wesentlichen Teil oder ganz an Ladungsträgern ausgeräumt und enthält somit als Dotierung etwa die Durchbruchsladung. Die Dotierung kann lateral auch variieren (vgl. US 4 672 738 ) und wird dann als "VLD-Struktur" (VLD = Variation der lateralen Dotierung) bezeichnet. Bei lateralen Transistoren ist für die JTE auch die Bezeichnung "Drain Extension" (Drainerweiterung) üblich. Zu Strukturen wie JTE und VLD ist auch noch RESURF (Reduced Surface Field; reduziertes Oberflächenfeld) zu zählen (vgl. hierzu auch P. Walker et al.: A numerical analysis of the resurf structure, IEEE Proc. Vol. 132, Pt. I, Nr. 6 (1985), S. 285–290). Alle hier abgehandelten Strukturen, also die JTE-Struktur, die VLD-Struktur und die Resurf-Struktur sind gegenüber Grenzflächenladungen sehr empfindlich, was ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzt.
(d) Schließlich dienen auch noch semiisolierende Schichten zur Erhöhung der Randfestigkeit von hochsperrenden Halbleiterbauelementen (vgl. Baliga, Seite 126 ff. und C. Mingues und G. Charitat, IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs Weimar, S. 137–140 (1997)). Mit solchen semiisolierenden Schichten, wie beispielsweise SIPOS-Schichten (SIPOS = Semiinsulating Polycrystalline Silicon), deren Widerstandswert viel höher ist als derjenige von beispielsweise dotiertem polykristallinem Silizium, jedoch wesentlich kleiner ist als derjenige von Siliziumdioxid, können resistiven Feldplatten realisiert werden. Diese liegen wie die Feldplatten 7 von 5 auf einer Isolierschicht über dem Randbereich des Halbleiterkörpers. Sie sind aber vorzugsweise mit beiden Elektroden, also bei einer Diode mit der Anode und mit der Kathode, verbunden und führen entsprechend der anliegenden Sperrspannung und ihrem elektrischen Widerstand einen relativ großen Leckstrom. Innerhalb einer solchen resistiven Feldplatte aus einer semiisolierenden Schicht ergibt sich ein durch die geometrische Form und gegebenenfalls eine inhomogene Verteilung des Schichtwiderstandes (vgl. hierzu EP 0 615 291 A1 ) bestimmter Potenzialverlauf, der wiederum die laterale Ausdehnung der Raumladungszone steuert. Randabschlüsse mit semiisolierenden Schichten sind wegen des vorgegebenen Potenzialverlaufs unempfindlich gegen Oberflächenladungen. Ein Nachteil von Randabschlüssen mit semiisolierenden Schichten ist aber darin zu sehen, dass der elektrische Widerstand der semiisolierenden Schichten mit der darunter liegenden Isolierschicht- und Raumladungskapazität im Halbleiterkörper ein RC-Glied bildet, dessen Zeitkonstante bei einem für einen kleinen Leckstrom notwendigen großen Wert des Widerstandes relativ groß wird. Beispielsweise ergibt sich mit einer Kapazität C = 10 pF, einem Leckstrom von 60 μA bei 600 V und einem Widerstand R = 10 MΩ eine Zeitkonstante τ = RC = 100 μs.

Die oben erläuterten vier grundsätzlich verschiedenen Maßnahmen (a) bis (d) zur Gestaltung eines hochspannungsfesten Randabschlusses können in verschiedener Weise kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, floatende Feldringe nach (a) mit Feldplatten (b) oder Feldringe (a) mit einer SIPOS-Schicht (d) zu kombinieren, wobei die Feldringe durch die SIPOS-Schicht auf ein definiertes Potenzial gelegt sind (vgl. EP 0 615 291 A1 ). Ebenso ist es möglich, semiisolierende Schichten (d) mit Feldplatten (b), floatenden Feldringen (a) oder einer JTE (c) zu kombinieren (vgl. hierzu wiederum EP 0 615 291 A1 ).

Die obigen Erläuterungen belegen, dass bisher eine Fülle von Anstrengungen unternommen wurde, um den Randabschluss eines Halbleiterbauelementes hochspannungsfest zu gestalten. Dennoch weisen alle bisher erarbeiteten Möglichkeiten bestimmte Nachteile auf. Gemeinsam ist diesen Möglichkeiten zudem der Nachteil eines relativ hohen Platzbedarfs.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Randabschluss für ein Halbleiterbauelement anzugeben, der sich speziell durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet, einfach herstellbar sowie unempfindlich gegen Oberflächenladungen ist und ohne weiteres eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Randabschluss nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Randbereich des Halbleiterkörpers mit einem Material versehen ist, das durch seine Polarisation Kompensationsladungen für die in der Raumladungszone -vorhandenen Ladungen zur Verfügung stellt. Als Material, das Kompensationsladungen aufgrund seiner Polarisation liefert, wird vorzugsweise ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante bzw. -zahl, nämlich ein so genanntes high-k-Material, verwendet.

Bei dem erfindungsgemäßen Randabschluss wird also auf den Randbereich eines Halbleiterbauelementes beispielsweise eine Schicht aus einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ε, also ein high-k-Material, aufgebracht. Dieses Material stellt durch Polarisation Kompensationsladungen für die Ladungen der Raumladungszone zur Verfügung. Auch benötigt eine solche Schicht deutlich weniger Platz als beispielsweise eine Feldring-Struktur.

Da die Polarisation im high-k-Material lokal durch die in der Raumladungszone zeitlich variabel vorhandenen Ladungen influenziert wird, ergibt sich so eine optimale Feldverteilung mit kleinen Randbreiten und Unempfindlichkeit gegenüber Grenzflächenladungen, welche sich in Ladung und Menge während der Lebensdauer eines Halbleiterbauelementes verändern können. Das heißt, der erfindungsgemäße Randabschluss zeichnet sich nicht nur durch einen relativ kleinen Platzbedarf, sondern auch durch eine vernachlässigbare Empfindlichkeit gegenüber Grenzflächenladungen aus.

Als high-k-Material wird ein Material mit einer Dielektrizitätszahl von beispielsweise 20, vorzugsweise 200 oder noch mehr vorzugsweise 1000 eingesetzt. Solche Materialien sind beispielsweise Hafniumoxid (HfO₂), Zirkoniumoxid (Zo₂), Titandioxid (TiO₂), Lanthanoxid (La₂O₃) oder eine Verbindung aus der Gruppe der Titanate, wie insbesondere Bariumtitanat, Strontiumtitanat oder Barium-Strontium-Titanat oder aus den Gruppen der Zirkonate, Niobate oder Tantalate.

Es ist ohne weiteres möglich, den erfindungsgemäßen Randabschluss noch durch eine der oben unter (a) bis (d) angegebenen Möglichkeiten zu ergänzen. So kann beispielsweise der erfindungsgemäße Randabschluss noch mit floatenden Feldringen und/oder Feldplatten und/oder JTE (bzw. VLD bzw. Resurf) und/oder semiisolierenden Schichten versehen werden. Ein solches Vorgehen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nur Materialien mit einer mäßig gegenüber dem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers erhöhten Dielektrizitätskonstante eingesetzt werden, wenn also die Dielektrizitätskonstante des high-k-Materials nur geringfügig gegenüber der Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers angehoben ist.

Im Vergleich zu semiisolierenden Schichten zeichnet sich der erfindungsgemäße Randabschluss mit einem high-k-Material dadurch aus, dass im Sperrfall kein zusätzlicher Leckstrom fließt und die Umladezeitkonstanten trotzdem niedrig sind.

Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Randabschluss ist ganz allgemein, dass die Kompensationsladungen für die Ladungen der Raumladungszone nicht durch bewegliche Ladungsträger in Leitern bzw. semiisolierenden Schichten oder durch in den Halbleiterkörper eingebrachte Dotierungsgebiete, sondern durch Polarisation einer dielektrischen Schicht zur Verfügung gestellt werden.

Vorzugsweise wird das high-k-Material des erfindungsgemäßen Randabschlusses auf den Randbereich des Halbleiterkörpers aufgebracht und an seinen Enden beispielsweise mit zwei Elektroden, im Fall einer Diode also mit der Anode und der Kathode, kontaktiert, so dass sich diese Enden auf dem Anodenpotenzial bzw. Kathodenpotenzial befinden. Dies verhindert, dass Isolierschichten bzw. Dielektrika zwischen der jeweiligen Elektrode und dem high-k-Material einem zu hohen elektrischen Feld ausgesetzt werden.

Vorzugsweise wird das high-k-Material auf einer dünnen Isolierschicht, wie beispielsweise einer Siliziumdioxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht, aufgebracht, welche als Diffusionsbarriere wirkt. Es ist aber auch möglich, das high-k-Material direkt auf den Halbleiterkörper aufzubringen.

Es ist möglich, das high-k-Material auf eine Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers in dessen Randbereich oder auf dessen Seitenwand direkt oder über eine dünne Isolierschicht aufzutragen.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann es sich um eine pn-Diode, eine Schottkydiode, einen MOS-Transistor, einen DMOS-Transistor, einen Bipolartransistor, einen IGBT, einen Thyristor oder dergleichen handeln. Als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper kann beispielsweise Silizium, Siliziumcarbid (SiC) oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial, z.B. A_IIIB_V usw. verwendet werden. Auch können die Leitungstypen jeweils umgekehrt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer Diode mit einer high-k-Feldplatte nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Schnittdarstellung einer Diode mit einer high-k-Feldplatte nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine Schnittdarstellung einer Diode mit einer high-k-Feldplatte nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine Schnittdarstellung einer Diode mit einem herkömmlichen Feldringrand und
5 eine Schnittdarstellung einer Diode mit einem herkömmlichen Feldplattenrand.
Die 4 und 5 sind bereits eingangs erläutert worden. In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine pn-Diode, bei der ein high-k-Material 9 in der Form einer Feldplatte auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 im Randbereich der Diode gelegen ist. Dieses high-k-Material 9 aus beispielsweise Hafniumoxid oder einem der oben angegebenen Materialien ist an seinem einen Ende mit der Anode 4 kontaktiert und grenzt an seinem anderen Ende an eine auf einem hochdotierten n⁺-leitenden Anschlussgebiet 11 angeordnete Elektrode 10 an, welche auf Kathodenpotenzial ist.
Gegebenenfalls können bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zu der Feldplatte aus dem high-k-Material 9 im Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers 1 ein oder mehrere floatende p-leitender Feldringe 5 vorhanden sein.
2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem das high-k-Material 9 durch eine dünne Isolierschicht 12 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder einem anderen geeigneten Isolierstoff von der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 getrennt ist.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können gegebenenfalls zusätzlich noch ein bzw. mehrere floatende Feldringe 5 und/oder eine JTE-Struktur 8, wie dies in Strichlinien angedeutet ist, vorhanden sein.
In 3 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel einer pn-Diode mit einem Randabschluss gezeigt, welcher ein high-k-Material 9 in der Form einer Feldplatte als senkrechte Begrenzung im Randbereich des Halbleiterbauelementes vorsieht. Die Seitenwand unterhalb einer Isolierschicht 12' aus Siliziumdioxid kann hier leicht p-dotiert sein. Im Ausführungsbeispiel der 3 liegt das high-k-Material 9 zwischen der Anode 4 und der Kathode 3. Bei diesem Ausführungsbeispiel können auch andere als senkrechte Seitenwände verwendet werden, also beispielsweise in der einen oder anderen Richtung schräg geneigte Seitenwände.
Wird zwischen die Anode 4 und die Kathode 3 in den obigen Ausführungsbeispielen eine Sperrspannung angelegt, so bildet sich im Halbleiterkörper 1 eine Raumladungszone aus. Durch Polarisation entstehen dann in dem high-k-Material 9 Kompensationsladungen für die Ladungen der Raumladungszone, so dass enge Krümmungen der Potenziallinien im Bereich des sperrenden pn-Überganges 6 vermieden werden können.

1: Halbleiterkörper
2: Anodenzone
3: Kathode
4: Anode
5: floatender Feldring
6: pn-Übergang
7: Feldplatte
8: JTE-Struktur
9: high-k-Material
10: Elektrode
11: Anschlussgebiet
12, 12': Isolierschicht
13: VLD-Struktur
A: Anodenelektrode
K: Kathodenelektrode

Claims

Randabschluss für ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (1), auf dem wenigstens zwei Elektroden (3, 4) vorgesehen sind, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, so dass im Halbleiterkörper eine Raumladungszone entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Randbereich des Halbleiterkörpers (1) mit einem Material (9) versehen ist, das durch seine Polarisation Kompensationsladungen für die in der Raumladungszone vorhandenen Ladungen zur Verfügung stellt.
Randabschluss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, ein so genanntes high-k-Material ist.
Randabschluss nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das high-k-Material Hafniumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid oder Lanthanoxid oder eine Verbindung aus der Gruppe der Titanate, wie insbesondere Bariumtitanat, Strontiumtitanat oder Barium-Strontium-Titanat oder aus den Gruppen der Zirkonate, Niobate oder Tantalate enthält.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (9) als Schicht auf mindestens einen Randbereich aufgebracht ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (9) über einer Isolatorschicht (12) auf den Halbleiterkörper (1) aufgebracht ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (9) zwischen dem Potenzial der wenigstens zwei Elektroden (3, 4) liegt.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleiterkörper (1) zusätzlich wenigstens ein floatender Feldring (5) vorgesehen ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich zusätzlich wenigstens eine Feldplatte (7) vorgesehen ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich zusätzlich eine JTE-Struktur (8) vorgesehen ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich zusätzlich eine VLD-Struktur (13) vorgesehen ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement eine pn-Diode, eine Schottkydiode, ein MOS-Transistor, ein DMOS-Transistor, ein Bipolartransistor, ein IGBT oder ein Thyristor ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (1) aus Silizium, Siliziumcarbid oder einem A_IIIB_V-Halbleitermaterial besteht.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (9) auf einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (9) auf einer Seitenfläche des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.