2.1.1 Spannungsfestigkeit

Das niedrig dotierte -Substrat dient als sog. Driftzone, die hohe Drainspannungen aufnehmen kann. Mit dieser Dotierung ist ein verhältnismäßig hoher Widerstand verbunden, der bei Stromfluß einen Großteil der Drain-Source-Spannung aufnimmt, sodaß am Kanal selbst nur ein Bruchteil dieser Spannung abfällt.

Im stromlosen Fall ist (bei ) der -Übergang zwischen -body und Driftgebiet gesperrt. Es bildet sich eine Raumladungszone, die die Drain-Source-Spannung aufnehmen muß. Eine Raumladungszone um einen -Übergang dehnt sich weiter in jenen Bereich aus, der niedriger dotiert ist. Dies kann sehr einfach über die Lösung der eindimensionalen Poissongleichung gezeigt werden, die (mit dem elektrostatischen Potential , dem elektrischen Feld in -Richtung, der Raumladung zufolge der ionisierten Akzeptor- und Donatorkonzentrationen und in der Raumladungszone) lautet:

Für einen abrupten -Übergang an der Stelle mit

ergibt sich für die Grenzen der Raumladungszone in - und -Gebiet:

ist negativ und folgt mit der in Sperrichtung angelegten Spannung zu:

Auf nicht abrupt, sondern z.B. linear verlaufende -Übergänge lassen sich die folgenden Überlegungen gleichermaßen anwenden (siehe z.B. [116]). Man sieht aus den Gleichungen 2.3 und 2.4, daß sich das Verarmungsgebiet immer in das niedriger dotierte Gebiet weiter ausdehnt. Bei stark unterschiedlicher Dotierung auf beiden Seiten des -Übergangs dehnt sich die Raumladungszone praktisch ausschließlich in das niedrig dotierte Gebiet aus. Auch ist die maximale Feldstärke in diesem Fall lediglich durch das niedrig dotierte Gebiet bestimmt (siehe Gleichung 2.5 für oder umgekehrt). Je niedriger dieses dotiert ist, desto geringer ist die maximale Feldstärke (sie tritt immer im metallurgischen -Übergang, also in unserem Beispiel bei auf).

Geht man davon aus, daß die Driftzone in einem DMOS-Transistor wesentlich weniger stark dotiert ist als der -body, so muß die Driftzone weit genug sein, sodaß im Vorwärts-Sperrfall die Raumladungszone nicht das hoch dotierte Draingebiet erreicht, da sie sich sonst nicht mehr weiter ausdehnen kann. Mit steigender Spannung wächst die Feldstärke stark an und bedingt einen früheren Lawinendurchbruch [3]. Auf der anderen Seite dringt natürlich die Verarmungszone auch etwas in den -body ein. Durch das Design muß sichergestellt sein, daß diese nicht das -Sourcegebiet erreicht, da es sonst zum sog. punch through-Durchbruch kommt.

DMOS-Transistoren sind i.a. so ausgelegt, daß es zu keinen punch through-Problemen kommt. Die Vorwärts-Blockiereigenschaften werden damit durch den Lawinendurchbruchsmechanismus an gesperrten -Übergängen begrenzt. Als Näherungsformel für die Durchbruchspannung eines ebenen, abrupten -Übergangs für wird in [8] angegeben:

Die Weite der Raumladungszone ergibt sich zu:

Abb. 2.2 zeigt diese Zusammenhänge graphisch:

  
Abbildung 2.2: Durchbruchspannung und Weite eines ebenen, abrupten -Übergangs über der Konzentration des geringer dotierten Gebiets.

In einer realen DMOS-Struktur treten Krümmungen der Raumladungszonen auf, die Feldstärkespitzen verursachen. Abb. 2.3 läßt vermuten, daß diese umso stärker sind, je größer das Verhältnis der Weite der Raumladungszone zum Krümmungsradius des -Übergangs ist.

  
Abbildung 2.3: Feldverlauf am Rand eines seichten (a) und eines tiefen (b) -Übergangs.

Geht man von einer zweidimensionalen Struktur mit abrupten, zylindrischen Übergängen aus (unter der vereinfachenden Annahme, daß die laterale Unterdiffusion der Tiefe des -Übergangs entspricht), so führt eine Berechnung über die Lösung der Poissongleichung in Zylinderkoordinaten zu folgender Durchbruchspannung ( ist der Radius des -Übergangs) [7][10]:

Ein reale, dreidimensionale Struktur weist jedoch an ihren Ecken Übergänge auf, die durch das Aufeinandertreffen von zwei zylindrischen -Übergängen im Winkel von i.a. entstehen. Für einen abrupten, sphärischen Übergang kann die Poissongleichung in Kugelkoordinaten gelöst werden. Die Durchbruchspannung ergibt sich im Vergleich zu der eines ebenen, abrupten Übergangs zu [7][10]:

Die Gleichungen 2.8 und 2.9 gelten für und für eine Hintergrunddotierung kleiner als (ein sehr hoher Wert für die Grunddotierung). Abb. 2.4 zeigt die auf die Durchbruchspannung des abrupten, ebenen -Übergangs normierten Durchbruchspannungen der zylindrischen und sphärischen Übergänge. Man erkennt, daß die Durchbruchspannung mit kleiner werdendem Radius des -Übergangs sinkt. Wie zu erwarten war, ist die Durchbruchspannung des sphärischen Übergangs deutlich niedriger als die des zylindrischen.

  
Abbildung 2.4: Durchbruchspannungen von zylindrischen und sphaerischen, abrupten -Uebergaengen im Verhaeltnis zu ebenen, abrupten -Uebergaengen.

Es zeigt sich auch (wie schon aus Abb. 2.3 zu vermuten), daß das Verhältnis von Krümmungsradius zur Weite des -Übergangs eine wesentliche Größe ist. Sehr seichte -Übergänge bedingen kleine Radien und verringern die Durchbruchspannung. Für Leistungsbauelemente sind daher oft zusätzliche Prozeßschritte (Diffusionen) notwendig, um tiefere Übergänge zu erzielen. Da sphärische Übergänge durch Aufeinandertreffen von zylindrischen Übergängen an Ecken der Struktur hervorgerufen werden, kann durch Abrundung dieser Ecken eine Erhöhung der Durchbruchspannung in diesen Bereichen erzielt werden.

Positive Oberflächenladungen über dem Verarmungsgebiet einer in einem -Gebiet liegenden -Schicht verstärken die Krümmung der Raumladungszone und verringern die Durchbruchspannung, negative Ladungen verringern die Krümmung und erhöhen damit die Durchbruchspannung. Für eine in einem -Gebiet liegende -Schicht gilt obiges mit vertauschten Vorzeichen.

Es sind einige Techniken entwickelt worden, um durch eine Verringerung des Krümmungsradius die Durchbruchspannung zu erhöhen. Diese sollen nur kurz aufgeführt werden, da sie für die hier behandelte Technologie nicht explizit verwendet werden (allerdings haben sie zum Teil eine implizite Bedeutung, siehe z.B. Abschnitt 3.1.2).

Feldringe:

In einiger Distanz vom -Übergang werden im niedrig dotierten -Gebiet nicht kontaktierte (floating) Ringe mit hoher -Dotierung eingebracht. Reicht die Raumladungszone bis zu den Feldringen, nehmen sie das Potential der Raumladungszone an dieser Stelle an. Es bildet sich von ihnen ausgehend ebenfalls eine Raumladungszone im niedrig dotierten Gebiet, die jedoch aufgrund der geringeren Potentialdifferenz zur Spannung des -Gebiets außerhalb der Raumladungszone (die restliche Spannung fällt ja bis zu den Feldringen vom -Gebiet her ab) schmäler ist als die vom eigentlichen -Übergang herrührende. Da die Weite der Raumladungszone wesentlich die Durchbruchspannung beeinflußt, wird dadurch die Durchbruchspannung erhöht. Es sind viele Variationen dieses Konzepts möglich, so z.B. auch mehrfache Feldringe [135].

Feldplatten:

Werden an einem -Übergang über dem -Gebiet eine isolierende Schicht und darüber ein Kontakt angebracht, so kann man damit den Verlauf der sich darunter ausbildenden Raumladungszone beeinflussen. Macht man die Spannung an der Feldplatte negativer, so verringert man die Krümmung der Raumladungszone (sofern diese im Bereich der Feldplatte liegt), erhöht man die Spannung, dann verstärkt man die Krümmung. Für -Übergänge gilt obiges vice versa. Die Dicke des Oxids ist ein wesentlicher Parameter. Für sehr hohe Spannungen werden auch multistep-Feldplatten verwendet [35].

Die Fortsetzung des Kontakts der hoch dotierten Schicht auf einer Oxidschicht über den -Übergang in das niedrig dotierte Gebiet hat ähnliche Wirkung, da (bei gesperrtem -Übergang) das Potential der Feldplatte niedriger ist als das der Raumladungszone im -Gebiet.

Schräge Bauteilkanten:

Durch einfaches Ab- oder Einschneiden (oder -ätzen) des Wafers senkrecht zur Oberfläche oder in einem positiven oder negativen Winkel dazu im Bereich eines gekrümmten -Übergangs können Feldstärkespitzen verhindert oder verringert werden. Diese Technik ist aber lediglich für diskrete Bauelemente und keinesfalls für integrierte Schaltungen möglich.

In [41] wird ein Vergleich der Wirkung von Feldringen und Feldplatten mit Hilfe von numerischen Simulationen durchgeführt. Es zeigt sich, daß sich für optimale Designs beider Methoden (es wird ein einfacher Feldring verwendet) für Tiefen des -Übergangs von mit der Feldplatte eine höhere Durchbruchspannung erzielen läßt, für tiefere Übergänge mit Feldringen.

In lateralen Bauelementen wie dem LDMOS-Transistor kann die Oberflächenfeldstärke dadurch reduziert werden, daß man das Driftgebiet als dünne, verhältnismäßig hochohmige epitaktische Schicht ausführt (REduced SURface Field, RESURF) [5][33][45][58]. Die niedrige Dotierung dieser Epi-Schicht bringt allerdings einen hohen On-Widerstand mit sich. Gegenmaßnahmen können eine multiple resistivity-Driftregion [78], Implantationen in das Driftgebiet und die Verwendung von Widerstandsmaterial, das auf dem Oxid über der Driftzone angebracht wird (etwa aus polykristallinem Silizium SIPOS) [21][58], enthalten.

Auch die Verwendung von internen Feldringen bei LDMOS-Transistoren (Feldringe innerhalb der Driftstrecke) wurde vorgeschlagen [86]. Mit diesen Mitteln können LDMOS-Transistoren mit hohen Vorwärts-Blockierspannungen realisiert werden [74]. Einen Überblick über laterale MOS-Gate-gesteuerte Leistungsbauelemente gibt [28].