DE19730328C1 - Hochspannungsfeste Randstruktur für Halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochspannungsfeste Randstruktur für Halbleiterbauelemente mit n Feldplattenrin­ gen und unter den n Feldplattenringen vorgesehenen ringförmi­ gen Dotierungsgebieten, wobei n eine natürliche Zahl größer als Zwei ist und der n-te Feldplattenring in bezug auf das Halbleiterbauelement der äußerste Feldplattenring ist.

Bekanntlich treten Durchbrüche bevorzugt im Randbereich von Dotierungsgebieten auf, da dort die elektrische Feldstärke infolge der durch den Rand bedingten Krümmung der Dotierungs­ gebiete besonders groß ist. Um solche Durchbrüche zu vermei­ den, werden daher um ein Halbleiterbauelement ringförmige Do­ tierungsgebiete und oberhalb von diesen entsprechende Feld­ plattenringe vorgesehen. Dadurch werden lokale Feldstärken­ spitzen im Randbereich eines Halbleiterbauelementes vermin­ dert.

Die ringförmigen Dotierungsgebiete werden bevorzugt durch Io­ nenimplantation eingebracht. Halbleiterbauelemente, die mit solchen Feldplattenringen und Ionenimplantationsringen verse­ hen sind, sind beispielsweise planare Siliziumbauelemente, wie MOSFETs (Feldeffekttransistoren in MOS-Technologie), IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) usw.

Stand der Technik sind also Randstrukturen von Halbleiterbau­ elementen mit Feldplattenringen und diesen entsprechenden Io­ nenimplantationsringen. Die Feldplattenringe und die Ionenim­ plantationsringe werden dabei so strukturiert, daß entlang der Oberfläche des Halbleiterkörpers eines Halbleiterbauele­ mentes eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung ent­ steht, d. h. keine Feldstärkenspitzen auftreten, die das Auftreten eines Durchbruches begünstigen würden. Eine derartige Anordnung ist z. B. aus der US 4,468,686 bekannt.

Zur Erreichung dieses Zieles werden bisher abgestufte Feldplatten und n-dotierte Zonen als Ionenimplantationsringe eingesetzt.

Bei Halbleiterbauelementen ist eine platzsparende Ausführung von größter Bedeutung, da durch diese allein die ständig angestrebte Miniaturisierung mit höherer Integrationsdichte zu erreichen ist. Ausgedehnte Randstrukturen stehen diesem Ziel erkennbar entgegen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochspannungsfeste Randstruktur für Halbleiterbauelemente anzugeben, welche eine einfache und platzsparende Ausführung erlaubt und dennoch eine reproduzierbare hohe Durchbruchspannung sicherstellt.

Diese Aufgabe wird bei einer hochspannungsfesten Randstruktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dotierungsgebiete ringförmige, konzentrische Unterbrechungen aufweisen, deren Anzahl von innen nach außen, also vom ersten zum n-ten Feldplattenring, abnimmt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise ist also unter dem ersten Feldplattenring kein Dotierungsgebiet vorgesehen. Dagegen ist unter dem n-ten Feldplattenring ein Dotierungsgebiet ohne Unterbrechungen angeordnet. Die Dotierungsgebiete sind vorzugsweise durch Ionenimplantation eingebracht, wobei eine Dosis von etwa 10¹² cm^-2 zur Anwendung gelangt.

Bei der erfindungsgemäßen hochspannungsfesten Randstruktur ist also ein implantiertes Dotierungsgebiet, das mit einer Ionenimplantationsdosis von etwa 10¹² cm^-2 eingebracht ist, unter dem äußersten Feldplattenring angeordnet, welcher nur unter dem dicksten Teil einer Isolatorschicht vorgesehen ist. Dieses implantierte Dotierungsgebiet wiederholt sich bei je­ dem Feldplattenring und weist dabei aber ringförmige Unter­ brechungen auf. Diese Unterbrechungen nehmen von außen nach innen zu, so daß bei dem, dem Halbleiterbauelement nächsten ersten Feldplattenring das implantierte Dotierungsgebiet vollkommen fehlt.

Die implantierten Dotierungsgebiete wirken mit den Unterbre­ chungen ebenso wie Dotierungsgebiete ohne Unterbrechungen, bei denen die Implantationsdosis von außen nach innen ab­ nimmt.

Wird für das Halbleiterbauelement beispielsweise ein p-Kanal- MOSFET vorgesehen, so sind die implantierten Dotierungsgebie­ te beispielsweise mit Arsen oder Phosphor n-dotiert. Mit den den FET umgebenden üblichen p-dotierten Schutzringen haben dann alle durch die Schutzringe und die Dotierungsgebiete ge­ bildeten p-Kanal-FETs trotz unterschiedlicher Substratspan­ nungen die annähernd gleiche Einsatzspannung, so daß als Er­ gebnis eine gleichmäßige laterale Verteilung der elektrischen Feldstärke an der Oberfläche und damit eine reproduzierbar hohe Durchbruchspannung erreicht wird.

Da die Dotierungsgebiete mit der gleichen Dosis von bei­ spielsweise 10¹² cm^-2 eingebracht sind, ist zu ihrer Herstel­ lung nur eine einzige Ionenimplantation erforderlich.

Die Anzahl der tatsächlich benötigten Feldplattenringe und die Geometrie der Unterbrechungen der Dotierungsgebiete hän­ gen vom Einzelfall und dabei insbesondere von der angestreb­ ten Durchbruchspannung ab und können ohne weiteres durch Com­ puter-Simulation berechnet werden.

Die Dotierungsgebiete müssen nicht durch Ionenimplantation eingebracht werden. Gegebenenfalls können auch andere Dotie­ rungstechniken, wie Diffusion, angewandt werden. Auch kann der oben angegebene Dotierungstyp jeweils umgekehrt werden. Das heißt, bei einem p^--leitenden Halbleiterkörper werden n- leitende Schutzringe zusammen mit p-leitenden Dotierungsge­ bieten anstelle des oben erwähnten p-leitenden Schutzringes mit n-leitenden Dotierungsgebieten in einem n^--leitenden Halbleiterkörper erzeugt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen hochspannungsfesten Rand­ struktur und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild zu der Randstruktur von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Randstruktur mit einem n^--dotierten Halb­ leiterkörper 10 und einer n⁺-dotierten Halbleiterschicht 11 mit einer (nicht gezeigten) Aluminiumschicht, an der eine po­ sitive Substratvorspannung anliegt.

Auf dem Halbleiterkörper 10 sind in üblicher Weise Feldplat­ tenringe 1, . . . n -1, n angebracht, wobei der erste Feldplat­ tenring 1 das eigentliche (nicht gezeigte) Halbleiterbauele­ ment, beispielsweise einen p-Kanal-FET direkt umgibt, so daß die Feldplattenringe 1, . . . n -1, n von innen nach außen ange­ ordnet sind. Durch die Stufe in den jeweiligen Feldplatten­ ringen 1, . . ., n -1, n ist schematisch die unterschiedliche Isolatorschichtdicke, also beispielsweise die Schichtdicke einer entsprechenden Siliziumdioxidschicht, angedeutet. Schutzringe 12, die p-dotiert sind, sind in Entsprechung zu den Feldplattenringen 1, n -1, n vorgesehen. Diesen Schutzrin­ gen sind durch Ionenimplantation eingebrachte n-leitende Do­ tierungsgebiete 13 zugeordnet. Die Implantationsdosis dieser Dotierungsgebiete 13 beträgt etwa 10¹² cm^-2.

Erfindungsgemäß sind die Dotierungsgebiete 13 mit Unterbre­ chungen 14 so versehen, daß unterhalb der Feldplatte 1 kein Dotierungsgebiet 13 vorliegt, also nur Unterbrechungen vor­ handen sind, während unterhalb der äußersten Feldplatte n keine Unterbrechungen vorhanden sind, also ein zusammenhän­ gendes Dotierungsgebiet 13 besteht.

Mit anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen hochspannungs­ festen Randstruktur nehmen die Unterbrechungen 14 von "außen" nach "innen" in Richtung auf das eigentliche Halbleiterbau­ element zu, so daß unter der ersten Feldplatte 1 das Dotie­ rungsgebiet 13 vollständig fehlt, während unterhalb der äu­ ßersten Feldplatte n ein zusammenhängendes Dotierungsgebiet vorliegt.

Die so gestalteten Dotierungsgebiete 13 wirken mit den Unter­ brechungen 14 ebenso wie Dotierungsgebiete, deren jeweilige Implantationsdosis in Richtung auf das Halbleiterbauelement zu abnimmt.

Dadurch wird in vorteilhafter und einfacher Weise erreicht, daß alle, durch die Schutzringe und die Dotierungsgebiete ge­ bildeten p-Kanal-FETs trotz unterschiedlicher Substratspan­ nungen die gleiche Einsatzspannung aufweisen.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Ersatzschaltbild der jeweiligen p-Kanal-FETs, die durch die Schutzringe und die Dotierungsge­ biete gebildet sind.

Im Ergebnis wird so durch die erfindungsgemäße hochspannungs­ feste Randstruktur eine gleichmäßige laterale Verteilung der elektrischen Feldstärke an der Oberfläche des Halbleiterkör­ pers 10 erreicht, so daß auch eine reproduzierbar hohe Durch­ bruchspannung vorliegt.

Von besonderem Vorteil ist, daß zur Erzeugung der jeweiligen Dotierungsgebiete 13 lediglich eine einzige Ionenimplantati­ on, beispielsweise mit Arsen oder Phosphor, erforderlich ist. Durch diesen einzigen Implantationsschritt wird die Herstel­ lung eines Halbleiterbauelementes wesentlich vereinfacht. Au­ ßerdem wird eine weitere Miniaturisierung erreicht, da eine einheitliche Ionenimplantation einen geringeren Platzbedarf erfordert.

Die erfindungsgemäße hochspannungsfeste Randstruktur ist in bevorzugter Weise auf beispielsweise 4 kV IGBTs, Dioden usw. anwendbar.

Bezugszeichenliste

1

. . ., n -1, nFeldplattenringe

10

Halbleiterkörper

11

Halbleiterschicht

12

Schutzring

13

Dotierungsgebiet

14

Unterbrechung

Claims (6)

1. Hochspannungsfeste Randstruktur für Halbleiterbauelemente mit n Feldplattenringen (1, . . . n -1, n) und unter den n Feld­ plattenringen (1, . . ., n -1, n) vorgesehenen ringförmigen Do­ tierungsgebieten (13), wobei n eine natürliche Zahl größer als Zwei ist und der n-te Feldplattenring (n) in bezug auf das Halbleiterbauelement der äußerste Feldplattenring ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsgebiete (13) ringförmige konzentrische Un­ terbrechungen (14) aufweisen, deren Anzahl von innen nach au­ ßen, also vom ersten zum n-ten Feldplattenring, abnimmt.

2. Hochspannungsfeste Randstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem ersten Feldplattenring (1) kein Dotierungsge­ biet (13) vorgesehen ist.

3. Hochspannungsfeste Randstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem n-ten Feldplattenring (n) ein Dotierungsgebiet (13) ohne Unterbrechungen (14) vorgesehen ist.

4. Hochspannungsfeste Randstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsgebiete (13) durch Ionenimplantation einge­ bracht sind.

5. Hochspannungsfeste Randstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsgebiete (13) mit einer Dosis von 10¹⁴ cm^-2 eingebracht sind.

6. Hochspannungsfeste Randstruktur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsgebiete (13) mit Arsen oder Phosphor do­ tiert sind.