Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

Kapitel 3 Laterale Superjunction‐Leistungstransistoren
35
_________________________________________________________________________________________________________________
Praktisch können Smart‐Power‐Technologien nach der Isolationstechnik klassifiziert
werden. Drei gängige Isolationstechniken [FJ86] sind in Abb. 3.5 am Beispiel eines
LDMOS‐Transistors skizziert: Sperrschichtisolation, selbstisolierende Isolation und
dielektrische Isolation. Die Sperrschichtisolation geschieht mittels gesperrten pn‐
Übergängen. Hierbei werden Schichten mit sperrgepolten pn‐Übergängen durch
Diffusion von p‐Gebieten bis in die ganze tiefe einer n‐leitenden Schicht erzeugt, die
epitaktisch auf ein p‐Substrat aufgewachsen wird. Diese Technik stellt eine Kom‐
promisslösung zwischen Preis und Einsatzflexibilität dar, so dass sie in den Techno‐
logien für Hochvolt‐ICs am weitesten gebräuchlich ist. Die Schwäche dieser Lösung
aber sind relativ große parasitäre Sperrschichtkapazitäten, hoher Flächenbedarf und
hohe Leckströmen der Isolations‐pn‐Übergänge.
Bei selbstisolierender Isolation erfolgt die elektrische Trennung auch durch Sperr‐
schichten, jedoch müssen keine zusätzlichen Isolationsstrukturen geschaffen werden,
sondern man gestaltet den Aufbau des integrierten Bauelements derartig, dass es
sich von selbst im Sperrbetrieb vom Substrat trennt. Diese Technik bringt dennoch
einen Nachteil mit, dass sie nicht so flexibel ist, weil das Sourcegebiet stets auf Null
Volt liegen muss, um die elektrischen Felder in diesem Gebiet abzubauen. Struktur‐
bedingt sind Feldeffekttransistoren bereits durch Verarmungsschichten vom Substrat
isoliert, und somit erübrigen sich zusätzliche Maßnahmen (Prinzip der Selbstisola‐
tion).
Wesentlich bessere Isolationstechnik ist die dielektrische Isolation, bei der die Isolie‐
rung mittels Isolatorwannen aus SiO2 erfolgt. Als vorteilig erweist sich höhere
Packungsdichte einer dielektrischen Isolationstechnologie im Vergleich zur Sperr‐
schichtisolation. Nachteile dieses Ansatzes sind der recht umständliche und kost‐
spielige Technologieaufwand und die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Isolators.
3.3 Entwicklungsgeschichte lateraler integrierbarer Leis‐
tungsbauelemente
In der Leistungshalbleiterindustrie gelten MOS‐Leistungstransistoren aufgrund ihrer
attraktiven Eigenschaften wie z.B. der leistungslosen Steuerung, des Nichtauftretens
des zweiten Durchbruchs, des Selbstschutzes gegen Überhitzung, kleiner Schaltzei‐
ten, hoher Ströme und Spannung usw. als wichtige Vertreter der Leistungsbauele‐
mente. Im Folgenden werden klassische laterale Leistungsbauelemente besprochen,
deren Aufbau eine doppelt diffundierten MOS‐Struktur (DMOS) enthält. Hierzu
gehören LDMOS‐, RESURF‐ und Superjunction‐MOSFETs. Die erzielbaren flächen‐
spezifischen Widerstände der entsprechenden Bauelemente in Abhängigkeit von der
Sperrspannung werden dabei mathematisch hergeleitet und miteinander verglichen.