DE10031781A1

DE10031781A1 - Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10031781A1
Application number: DE10031781A
Authority: DE
Inventors: Stefan Linder; Hansruedi Zeller
Original assignee: ABB Semiconductors Ltd
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-17
Also published as: JP2004503090A; CZ20024253A3; EP1297575A1; WO2002003469A1; AU2001265739A1; US6825110B2; CN1440571A; CN1252828C; US20030143836A1; JP4916083B2; EP1297575B1; RU2274929C2

Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Kathode und einer Anode aus einem Wafer wird der Wafer zuerst mit einer Stoppzone versehen, daraufhin kathodenseitig behandelt und erst anschließend in seiner Dicke reduziert, so dass von der Stoppzone nur noch eine Schwanzsperrzone übrigbleibt. Dabei wird die Stoppzone so dotiert und auf die Schwanzsperrzone reduziert, dass eine quantitative Optimierung des Herstellungsverfahrens und somit eines gedünnten Halbleiterelementes ermöglicht wird. In dieser quantitativen Optimierung werden diverse Parameter und ihre Relation zueinander berücksichtigt, insbesondere eine Dotierstoff-Flächendichte einer Schwanzsperrzone, eine Dotierstoffdichte an einer anodenseitigen Oberfläche der Schwanzsperrzone, eine Dotierstoffdichte einer Basis, eine charakteristische Abfall-Länge beziehungsweise Steigung des Dotierprofils der Schwanzsperrzone sowie eine Dicke einer aus dem Wafer resultierenden Basis von Anode zu Kathode.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 beziehungweise 8 sowie auf ein Halbleiterelement gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 11.

Stand der Technik

Um bestmögliche elektrische Charakteristiken von Halbleiter-Leistungs schaltern, wie zum Beispiel eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) zu erzielen, muss die Dicke der aktiven Zone seines Halbleiterelementes so gering wie möglich gewählt werden.

Beispielsweise hat die Dicke einen direkten Einfluss auf die Durchlassverluste und die Lawinendurchbruchspannung. Im Falle von Durchbruchspannungen von 600-1800 V sind deshalb Dicken des Halbleiterelementes von 60-250 µm wünschenswert. Derartig geringe Dicken stellen jedoch in der Produktion der Halbleiterelemente ein grosses Problem dar, da Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm und mehr eine Dicke von mindestens 300 µm aufweisen sollten, um die Bruchgefahr bei der Herstellung zu minimieren.

Im Stand der Technik wurde dieses Dickenproblem für Punch-Through- Leistungshalbleiber (PT) üblicherweise durch die sogenannte Epitaxiemethode gelöst. In dieser Methode wird auf einem Trägersubstrat mit einer relativ grossen Dicke von 400-600 µm eine elektrisch aktive Schicht gezüchtet. Dabei gilt die Regel, dass die aktive Schicht umso dicker sein muss, je höher die Spannungsfestigkeit des Halbleiterelementes ausfallen soll. Das Aufbringen dieser Schichten ist jedoch sehr zeitintensiv und teuer.

Für grössere Durchbruchspannungen wird im Stand der Technik vorzugsweise zwischen Trägerschicht und elektrisch aktiver Zone eine Stoppschicht, auch Buffer genannt, eingebracht. Diese Stoppschicht dient im Blockierfall dazu, das elektrische Feld abrupt vor der Anode abzubremsen und damit von dieser fern zu halten, da, sollte das elektrische Feld die Anode erreichen, das Halbleiterelement zerstört werden kann. In Kombination mit einem transparenten Anodenemitter beeinflusst die Stoppschicht ferner die Injektionseffizienz des Anodenemitters. Ein Thyristor mit einer derartigen Stoppschicht und einem transparenten Anodenemitter ist in EP-A-0'700'095 beschrieben.

Zur Herstellung von Non-Punch-Through-Leistungshalbleiter (NPT) wird nicht die Epitaxiemethode, sondern ein Verfahren verwendet, wie es beispielsweise in Darryl Burns et al., NPT-IGBT-Optimizing for manufacturability, IEEE, Seite 109-112, 0-7803-3106-0/1996; Andreas Karl, IGBT Modules Reach New Levels of Efficiency, PCIM Europe, Issue 1/1998, Seite 8-12 und J. Yamashita et al., A novel effective switching loss estimation of non-punchthrough and punchthrough IGBTs, IEEE, Seite 331-334, 0-7803-3993-2/1997 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren dient ein relativ dicker Wafer ohne Epitaxieschicht als Ausgangs material. Typische Dicken liegen bei 400-600 µm. In einem ersten Schritt wird der Wafer kathodenseitig behandelt, das heisst, es werden Photolitograhie, Ionenimplantation, Diffusionen, Ätzungen und sonstige für die Herstellung des Halbleiterelementes notwendigen Prozesse durchgeführt. In einem zweiten Schritt wird der Wafer auf der der Kathode entgegengesetzten Seite auf seine gewünschte Dicke reduziert. Dies erfolgt durch übliche Techniken, im allge meinen durch Schleifen und Ätzen. In einem dritten Schritt wird nun auf dieser reduzierten Seite eine Anode eindiffundiert. Dieses Verfahren ist zwar kosten günstiger als die Epitaxiemethode, führt jedoch zu dickeren Halbleiterelemen ten.

DE-A-198 29 614 offenbart nun ein Herstellungverfahren für ein Leistungshalb leiterelement auf der Basis eines PT-Typs, welches die Herstellung relativ dünner Halbleiterelemente ermöglicht, ohne das Epitaxieverfahren anwenden zu müssen. Hierfür wird in eine niedrig dotierte Basiszone eine Stoppschicht mit einer grösseren Dicke als elektrisch erforderlich eingebracht, daraufhin Prozess schritte zur Ausführung einer kathodenseitigen strukturierten Oberfläche des Halbleiterelementes ausgeführt und erst anschliessend die Dicke der Stopp schicht durch Abschleifen und/oder Polieren auf die elektrisch notwendige Grösse verringert wird. Dadurch ist es möglich, die kathodenseitigen Prozessschritte an einem relativ dicken Wafer durchzuführen, so dass die Bruchgefahr verringert wird. Trotzdem lässt sich durch das anschliessende Verdünnen des Wafers ein Halbleiterelement schaffen, welches die gewünschte geringe Dicke aufweist. Die minimale Dicke der fertigen Halbleiterelemente ist nicht mehr durch eine erziel bare minimale Dicke seines Ausgangsmaterials begrenzt. Vorteilhaft ist ferner, dass die Dotierung der übrig gebliebenen Stoppschicht relativ niedrig ist, so dass über die Dotierung des Anodenemitters der Emitterwirkungsgrad eingestellt werden kann.

Auch in der noch unveröffentlichten Europäischen Patentanmeldung EP-A- 1'017'093 wird ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes beschrieben. Dank diesem Verfahren ist es möglich, relativ dünne Halb leiterelemente mit einer typischen Dicke von 80-180 µm herzustellen. In diesem Verfahren wird vorzugsweise ein Dotierprofil gewählt, welches einem Gauss profil oder einem komplementären Fehlerfunktionsprofil entspricht. Nach der Dünnung bleibt somit von der Sperrzone nur noch eine Restzone oder Tail, im folgenden Schwanzsperrzone genannt, übrig. Die Dotierung und anschliessend die Dünnung werden so vorgenommen, dass die Schwanzsperrzone an seiner an odenseitigen Oberfläche eine Dotierdichte von mindestens 5 × 10¹⁴ cm^-3 vorzugs weise 1 × 10¹⁵ cm^-3 und maximal 6 × 10¹⁶ cm^-3, vorzugsweise 1 × 10¹⁶ cm^-3 aufweist. Diese Werte entsprechen Erfahrungswerten der Anmelderin und sollen eine negative Beeinflussung der Anodeneffizienz vermeiden.

Mit diesen Erfahrungswerten werden zwar gute Resultate erzielt. Die Her stellung derartig gedünnter Halbleiterelemente basiert jedoch nach wie vor auf den Erfahrungswerten, welche bei der Herstellung von PT-Halbleiterelementen nach der Epitaxiemethode und bei der Herstellung von ungedünnten NPT- Halbleiterelementen gewonnen wurden. Es werden deshalb nicht alle Möglich keiten zur Optimierung von gedünnten Halbleiterelementen ausgenützt.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das obengenannte Verfahren zur Herstellung eines verdünnten Leistungshalbleiterelementes zu verbessern, so dass sich ein optimiertes Halbleiterelement schaffen lässt. Insbesondere soll seine Dicke auf eine jeweils gewünschte Spannungsfestigkeit optimierbar sein.

Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 beziehungsweise 8 sowie ein Halbleiterelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 11.

Erfindungsgemäss wird eine quantitative Optimierung des Herstellungsverfah rens und somit eines gedünnten Halbleiterelementes ermöglicht. In dieser quan titativen Optimierung werden diverse Parameter und ihre Relation zueinander berücksichtigt, insbesondere eine Dotierstoff-Flächendichte einer Schwanzsperr zone, eine Dotierstoffdichte an einer anodenseitigen Oberfläche der Schwanz sperrzone, eine Dotierstoffdichte einer Basis, eine charakteristische Abfall-Länge beziehungsweise Steigung des Dotierprofils der Schwanzsperrzone sowie eine Dicke einer aus dem Wafer resultierenden Basis von Anode zu Kathode.

In einer ersten Variante des Verfahrens wird für eine jeweils geforderte Span nungsfestigkeit ein unterer und ein oberer Grenzwert für die Dotierstoff- Flächendichte der Schwanzsperrzone angegeben. Dabei variieren die Grenzen in direkter und/oder indirekter Abhängigkeit der oben angegebenen Parameter. Die obere Grenze berücksichtigt eine Charakteristische Abfall-Länge des Dotierprofils der Schwanzsperrzone und die untere Grenze einen Punch- Through-Grad, welcher als Verhältnis einer Punch-Through-Spannung gemäss Formel (8) und einer Lawinendurchbruchspannung definiert ist.

In einer zweiten Variante des Verfahrens wird das Halbleiterelement optimiert, indem das Produkt der Dotieratomdichte der Schwanzsperrzone an der Ober fläche mit der charakteristischen Abfall-Länge der Schwanzsperrzone in eine feste Relation zur Lawinen-Durchbruchspannung gebracht wird.

Weitere vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen gehen aus den abhän gigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren und der Erfindungsgegen stand anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches in den beiliegen den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a-1e die Herstellung eines Halbleiterelementes vom Ausgangsmaterial bis zum Endprodukt gemäss EP-A-1'017'093;

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Diffusionsprofils sowie des elek trischen Feldes im Sperrbetrieb entlag dem Schnitt A-A' gemäss Fig. 1b bzw. dem Schnitt A-B gemäss Fig. 1e und

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Dotierdichte in Funktion eines Abstandes x von der Anode;

Fig. 4 eine graphische Darstellung einer unteren Grenze für eine Dotier atom-Flächendichte N_tail,min in Funktion von γ für verschiedene Lawinendurchbruch-Spannungswerte V;

Fig. 5 eine graphische Darstellung einer optimalen Basisdotierung N_opt und eines optimalen spezifischen Basiswiderstandes in Funktion einer maximalen Lawinendurchbruch-Spannung V;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Differenz einer optimierten Dicke W eines Halbleiterelementes und einer charakteristischen Länge L einer Schwanzsperrzone in Funktion der maximalen Durchbruchspannung V und

Fig. 7 eine graphische Darstellung eines optimalen Produkts einer Ober flächenkonzentration N_S mit einer charakteristischen Abfall-Länge L in Funktion der maximalen Durchbruchspannung V.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1a-1e zeigen ein Herstellungsverfahren für verdünnte Leistungs halbleiterelemente, wie es in EP-A-1'017'093 ausführlich beschrieben ist. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von IGBT's, es ist jedoch auch auf andere Leistungshalbleiterelemente anwendbar.

Im folgenden wird auf das Verfahren nicht eingehend eingegangen, sondern es seien nur die wesentlichsten Schritte nochmals angeführt. Es wird von einem einstückigen, vorzugsweise uniform n-dotierten Wafer 1 mit einer typischen Dicke von 400-600 µm, wie er in Fig. 1a dargestellt ist, ausgegangen. Im Wafer 1 wird, wie in Fig. 1b sichtbar, ein Diffusionsprofil 2 erzeugt, welches quellenseitig zunimmt (Fig. 2), wobei es von einer niedrig n-dotierten Zone in eine hochdotierte n⁺-Zone übergeht. Die Form des Dotierprofils ist dabei vor zugsweise gaussförmig oder entspricht einer komplementären Fehlerfunktion. In einem nächsten Schritt, welcher in Fig. 1c dargestellt ist, wird eine Kathoden struktur 3 mit einer n⁺-dotierten Kathode 3', eine Kathodenmetallisierung 4 und vorzugsweise eine Steuerelektrode 7 mittels bekannter Prozesse auf bezie hungsweise eingebracht wird.

In einem nächsten Schritt gemäss Fig. 1d wird nun der Wafer 1 anodenseitig in seiner Dicke reduziert, vorzugsweise durch Schleifen und Ätzen, so dass lediglich noch eine Schwanzsperrzone 21 übrigbleibt. Erwünscht wird dabei eine Schwanzsperrzone mit einer möglichst flachen Flanke und einer niedrigen Dotie rung, so dass das vorgängige Diffusionsprofil möglichst tief sein sollte. Anschliessend wird auf die Oberfläche dieser Schwanzsperrzone 21 eine Anode mit einem p⁺-dotierten, transparenten Anodenemitter eingebracht, indem eine Randzone entsprechend dotiert wird. Anschliessend wird auch auf dieser Seite eine zweite Metallschicht, die Anodenmetallisierung 6, zur Kontaktierung aufge bracht.

Erfindungsgemäss wird nun dieses Herstellverfahren mittels einer Dimensionie rungsregel quantitativ optimiert. Die Optimierung erfolgt dabei hinsichtlich einer vorgegebenen Lawinen-Durchbruchspannung, auch Durchbruchspannung genannt. In dieser Dimensionierungsregel werden diverse Prozessparameter und ihre Relation zueinander berücksichtigt, insbesondere die Dotieratom- Flächendichte der Schwanzsperrzone, die Dotieratomdichte an der anodenseiti gen Oberfläche, die Dotieratomdichte des Wafers beziehungsweise der aus ihm entstandenen Basis, eine charakteristische Abfall-Länge der Schwanzsperrzone sowie die Dicke des Halbleiterelementes, genauer der Basis von Anode zu Kathode.

Im folgenden wird die Dimensionierungsregel gemäss einer ersten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben:

Es wird von einer Schwanzsperrzone ausgegangen, welche aus einem tiefen Dif fusionsprofil in Gaussform oder einer komplementären Fehlerfunktionsform ent standen ist. In Abhängigkeit der gewünschten Spannungsfestigkeit wird ein unterer und ein oberer Grenzwert für die Dotieratomflächendichte der Schwanz sperrzone angegeben. Dabei berücksichtigt die obere Grenze eine Charakteristische Abfall-Länge des Dotierprofils der Schwanzsperrzone und die untere Grenze einen Punch-Through-Grad, welcher im folgenden erläutert wird.

Die obere Grenze wird in dem Bereich festgelegt, ab welchem sie die Anoden effizienz merklich beeinflussen würde. Solange diese obere Grenze nicht erreicht wird, bleiben zudem die Prozessparameter kontrollierbar, so dass bei der Herstellung die Anzahl mangelhafter Halbleiterelemente gering gehalten werden kann.

Die Schwanzsperrzone weist eine Grunddotierung N₀ und mindestens annähernd ein zusätzliches Dotierprofil auf gemäss der Funktion

wobei N_S die Dotierstoff-Dichte [cm^-3] in der anodenseitigen Oberfläche der Schwanzsperrzone ist und N₀ die Dotierstoffdichte des Wafers beziehungsweise der daraus entstehenden Basis ist. x ist die Position [cm] in einem Koordinatensystem mit Ursprung am pn-Übergang von der Schwanzsperrzone zur Anode, wobei x in Richtung Kathode aufsteigt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. L_S ist die Abfall-Länge des Dotierprofils in der Schwanzsperrzone, wobei L_S durch die Steigung der Geraden durch N(x = 0) und N(x_j) gegeben ist, mit x_j als den Punkt, an welchem die Dotierung den zweifachen Wert der Basisdotierung N₀ aufweist (N = 2 N₀). Die Einheit von L_S beträgt [cm].

Die in der Schwanzsperrzone enthaltene Dotieratom-Flächendichte ist gegeben durch

W_PT ist weiter unten im Text definiert. Da im praktischen Fall N_S an der Kathode zu Null abgefallen ist, kann man die Integration ohne wesentlichen Fehler auf ∞ setzen.

welche somit die Dotieratom-Flächendichte in der Schwanzsperrzone in Abhän gigkeit der Oberflächenkonzentration N_S und die obere Grenze angibt. Ausge hend von einer maximal tolerierbaren Oberflächenkonzentration von N_S,max = 10¹⁶ cm^-3, erhält man so die maximale Dotieratom-Flächendichte N_tail,max in der Schwanzsperrzone und somit als obere Grenze:

N_tail,max = 10¹⁶. L_S (4)

Die Einheit von N_tail,max ist [cm^-2].

Im Falle, dass der Donatortyp der Schwanzsperrzone n-wertig ist, wobei n der Anzahl der bei Raumtemperatur vom Donator in Leitungsband emittierten Elek tronen entspricht, wird der Wert gemäss Formel (4) durch n² dividiert, um die obere Grenze zu erhalten.

Die untere Grenze der Dotieratom-Flächendichte wird im Bereich festgelegt, in welchem im Blockierbetrieb das elektrische Feld bis zum Erreichen des Lawi nendurchbruchs in der Schwanzsperrzone komplett abgebaut sein muss. Im Speziellen darf das elektrische Feld keinesfalls die Anodendiffusion erreichen, bevor der Lawinendurchbruch eintritt. Andernfalls kommt es zum Punch- Through Durchbruch, der im Gegensatz zum Lawinendurchbruch mit grosser Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung des Halbleiters führt. Dabei soll das maxi male elektrische Feld E_max beim Eintritt des Lawinendurchbruchs folgender Formel genügen

Die Berechnung der minimalen Dotieratom-Flächendichte in der Stoppschicht wird auf Raumtemperatur beschränkt, da dies den schlechtesten Fall darstellt. Bei höherer Temperatur wird aufgrund der vergrösserten Feldstärke im Lawi nendurchbruch auch eine höhere Dotieratom-Flächendichte benötigt. Diese liegt jedoch noch weit unterhalb der bereits genannten oberen Grenze. Dasselbe gilt auch für die ebenfalls getroffene Idealisierung, dass die Spannungsausbeute des Lawinendurchbruchs 100% beträgt.

Es besteht folgender Zusammenhang zwischen einer Spannung V_br,PT, bei Lawinendurchbruch und der n-Basis mit der Dicke W_PT' wobei W_PT definiert ist als die Länge von x_j bis zur kathodenseitigen Oberfläche der Basis bzw. bis zu einem pn-Übergang der Basis:

wobei ε_si die Dielektrizitätskonstante des Wafermaterials, hier von Silizium ist und in diesem Fall ca. 11.9 beträgt, und ε₀ die Permittivität des Vakuums bezeichnet, q ist die Ladung des Elektrons.

Zur Bestimmung der unteren Grenze wird nun ein Punch-Through Grad γ eingeführt:

wobei V_{punch-through} für die Spannung steht, bei der das elektrische Feld auf die Schwanzsperrzone aufläuft. V_{punch-through} sei dabei definitionsgemäss die an den äusseren Kontakten angelegte Spannung, bei der das elektrische Feld in Abwe senheit der Stoppschicht am Ort x = x_j zu Null wird:

Dadurch ergibt sich

Aus N_B,PT und W_PT lässt sich nun unter Anwendung der Poisson-Gleichung den Verlauf des elektrischen Feldes beim Lawinendurchbruch (V_br,PT) bestimmen. An der Grenze zur Stoppschicht beträgt unter diesen Bedingungen das elektrische Feld

Um das Feld von E(W_PT) auf Null zu senken, ist unabhängig von der Form des Dotierprofils in der Stoppschicht als untere Grenze für die Dotieratom-Flächen dichte

notwendig. Die Werte lassen sich auf numerischem Weg erhalten. Fig. 4 zeigt die untere Grenze der Dotieratom-Flächendichte N_tail,min in Funktion von γ für verschiedene Durchbruchspannungswerte V. Im Falle, dass der Donatortyp in der Schwanzsperrzone n-wertig ist, sind die Werte der Dotieratom-Flächendichte gemäss Fig. 4 durch n zu dividieren.

Im folgenden wird die Dimensionierungsregel gemäss einer zweiten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben:

Es wird wiederum von einer Schwanzsperrzone ausgegangen, deren Dotier konzentration die folgende Form aufweist:

N(x) = N₀ + N_S . exp(-x/L) (12)

Dabei ist N₀ wiederum die Dotierung des Basis, N_S die Oberflächenkonzentration an der anodenseitigen Oberfläche der Schwanzsperrzone und L die charakteristische Abfall-Länge des Dotierprofils in der Schwanzsperrzone, mit der oben beschriebenen Länge L_S identisch ist.

Die Prozessparameter Breite W der Basis, charakteristische Länge L des Dotier profils, Dotierdichte N₀ der Basis und Oberflächendotierdichte N_S der Schwanz sperrzone sollen nun in eine optimierte Relation zueinander gebracht werden, um erfindungsgemäss ein optimiertes verdünntes Leistungshalbleiterelement herzustellen. Für die Optimierung sollen dabei folgende Kriterien erfüllt sein:

- Bei der Durchbruchspannung V soll sich die Raumladungszone mindestens annähernd genau bis zur Anode erstrecken und
- Bei der Durchbruchspannung V soll das maximale elektrische Feld an der Kathode dem Durchbruchfeld entsprechen.

In dieser Variante des Verfahrens ist W als W_b bezeichnet, welches sich vom oben verwendeten W_PT unterscheidet. W_b ist die Breite der Basis, gemessen vom anodenseitigen pn-Übergang bis zur kathodenseitigen Oberfläche der Basis bzw. bis zu einem pn-Übergang der Basis.

Aus Gleichung (12) wird für das elektrische Feld erhalten

Da exp(-W_b/L) << 1 ist, folgt aus Gleichung (13)

Die maximale Durchbruchspannung ist gegeben als

Dabei entspricht die Druchbruchspannungpannung V der in der ersten Variante beschriebenen Durchbruchspannung V_br,PT.

Eine Buffer-Ladung sei definiert als

und eine Ladung der n-Basis als

Q₀= q . N₀ . W_b (17)

Daraus ergibt sich

Berücksichtigt man nun das elektrische Feld beim Durchbruch

wobei normalerweise gilt K = 4010 . V . cm^-5/8 ergibt sich für die maximale Spannung

Die optimale Dotierungsdichte in der Basis lässt sich berechnen aus N₀ für den Fall, dass das elektrische Feld an der Junction dem maximalen elektrischen Feld entspricht:

Für den Fall, dass (W_b/L)²<< 1, lässt sich eine neue Variable W_red = W_b - L definieren, so dass aus den Gleichungen (20) und (21) folgt:

Daraus lässt sich eine optimale Durchbruchspannung berechnen

und ein minimale Dicke der Basis beziehungsweise des Halbleiterelementes, welches für diese Durchbruchspannung noch geeignet ist:

welches numerisch wird zu

mit W in µm.

Daraus ergibt sich für die optimale Dotierdichte in der n-Basis

und numerisch

N_opt = 6.31 10¹⁷ V^-4/3 [cm^-3] (28)

Dabei ergibt sich, dass Werte für Not von bis zu 8 10¹⁷ V^-4/3 zu brauchbaren Resul taten führen.

Für die optimale Oberflächenkonzentration der Schwanzsperrzone ergibt sich über Berechnung der optimalen Buffer-Ladung

oder numerisch

Somit wird in dieser zweiten Variante des Verfahrens eine feste Beziehung zwi schen dem Produkt der Dotieratomdichte der Schwanzsperrzone an der Ober fläche und der Abfall-Länge der Schwanzsperrzone in Abhängigkeit der Durchbruchspannung erhalten. Werden für N_S und L Werte gewählt, welche mindestens annähernd diesem Produkt entsprechen, so wird ein optimales Halbleiterelement geschaffen. Unter mindestens annähernd wird insbesondere ein Faktor F verstanden, welcher zwischen 0.5 und 1.2 liegt.

Vorzugsweise wird für L eine Länge von 5-10 µm gewählt, wodurch eine Ober flächenkonzentration N_S in der Grössenordnung von 10¹⁵ cm^-3 erzielbar ist.

In den Fig. 5 bis 7 sind numerische Werte der einzelnen Prozessparameter beziehungsweise von Kombinationen davon dargestellt. Diese numerischen Werte wurden durch die in der zweiten Variante des Verfahrens verwendeten Formeln erhalten. Fig. 5 zeigt einerseits eine optimale Basisdotierung N_opt und andererseits den optimalen spezifischen Basiswiderstand in Funktion der maxi malen Durchbruchspannung V_max. Fig. 6 zeigt die Differenz der optimierten Dicke W des Halbleiterelementes und der charakteristischen Länge L der Schwanzsperrzone in Funktion der maximalen Durchbruchspannung V_max, und Fig. 7 stellt das optimale Produkt der Oberflächenkonzentration N_S mit der charakteristischen Abfall-Länge L in Funktion der maximalen Durchbruchspannung V_max dar.

Anhand der obengenannten Dimensionierungsregeln lassen sich Halbleiter elemente schaffen, welche für ihren speziellen Anwendungszweck optimiert sind, wobei ihre Entwicklungszeit wie auch die Kosten für ihre Herstellung minimiert werden können.

Bezugszeichenliste

1

Wafer

2

Diffusionsgebiet

20

Dotierprofil

21

Stoppzone

3

Kathodenstruktur

3

' Kathode

4

Kathodenmetallisierung

5

Anode

6

Anodenmetallisierung

7

Steuerelektrode
HL Halbleiterelement
E_SP

Elektrisches Feld im Sperrbetrieb

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Kathode und einer Anode aus einem Wafer, wobei der Wafer zuerst kathodenseitig be handelt wird, daraufhin die Dicke des Wafers auf der der Kathode entgegen gesetzten Seite reduziert wird und in einem weiteten Schritt auf dieser Seite eine Anode erzeugt wird, wobei vor der kathodenseitigen Behandlung eine Stoppschicht eingebracht wird und bei der Reduzierung der Waferdicke die Stoppschicht bis auf eine Schwanzsperrschichtzone entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoppschicht in der Schwanzsperrschichtzone mit einer Dotierstoff- Flächendichte erzeugt wird, welche zwischen einer minimalen und einer maximalen Flächendichte liegt, wobei die maximale Dotierstoff-Flächendichte in Abhängigkeit einer Dotierprofil-Abfall-Länge in der Schwanzsperrschichtzone gewählt wird und die minimale Dotierstoff- Flächendichte in Abhängigkeit eines Punch-Through-Grades gewählt wird, welcher als Verhältnis einer Punch-Through-Spannung und einer Lawinendurchbruchspannung definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dotierstoff-Flächendichte proportional zur Abfall-Länge der Schwanzsperrzone gewählt wird, wobei der Proportionalitätsfaktor einer maximal tolerierbaren Oberflächenkonzentration entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal tolerierbare Oberflächenkonzentration 10¹⁶ cm^-3 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfall-Länge (L_S) der Schwanzsperrzone durch eine Strecke definiert ist, welche das Dotier profil an der anodenseitigen Oberfläche der Schwanzsperrzone und an einem Punkt schneidet, an welchem die Schwanzsperrzone eine Dotierung aufweist, welche den zweifachen Wert einer Dotierung des Wafers entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Dotierstoff-Flächendichte gemäss
gewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass n-wertige Donato ren verwendet werden, und N_tail,min durch n dividiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass n-wertige Dona toren verwendet werden und dass die maximale Dotierstoff-flächendichte durch n² dividiert wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Kathode und einer Anode aus einem Wafer, wobei der Wafer zuerst kathodenseitig be handelt wird, daraufhin die Dicke des Wafers auf der der Kathode entgegen gesetzten Seite reduziert wird und in einem weiteren Schritt auf dieser Seite eine Anode erzeugt wird, wobei vor der kathodenseitigen Behandlung eine Stoppschicht eingebracht wird und bei der Reduzierung der Waferdicke die Stoppschicht bis auf eine Schwanzsperrschichtzone entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwanzsperrschichtzone eine derartigen charakteristische Länge L aufweist und die Stoppschicht an der anoden seitigen Oberfläche der Schwanzsperrschichtzone mit einer derartigen Dotierstoffdichte N_S erzeugt wird, dass mindestens annähernd gilt

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer mit einer Grunddotierung von mindestens annähernd
versehen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Dicke des Halbleiterelements und der charakteristischen Länge der Schwanzsperrzone mindestens annähernd gleich
ist.

11. Halbleiterbauelement mit einer Kathode und einer Anode, wobei benachbart zur Anode eine Stoppschicht vorhanden ist, deren Dotierungsdichte zur Anode hin zunimmt, wobei die Stoppzone ein zur Anode hin abgeschnittenes Dotierungsprofil aufweist und dass die Stoppzone im anodenseitigen Bereich eine Dotieratom-Flächendichte aufweist, welche mindestens annähernd kleiner als N_tail = N_S . L_S und mindestens annähernd grösser als