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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Randabschlusses
eines Halbleiterbauelements.
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Randabschlüsse dienen
in hinlänglich
bekannter Weise dazu die Sperrfähigkeit
von hochsperrenden Halbleiterbauelementen wie z.B. Dioden, Thyristoren
oder IGBTs dadurch zu erhöhen,
dass die maximalen elektrischen Feldstärken, die üblicherweise im Randbereich
des Bauelements auftreten, abgesenkt werden, um eine möglichst
homogene Verteilung des elektrischen Feldes in dem Bauelement und
damit eine möglichst
hohe Durchbruchspannung des Leistungshalbleiterbauelements zu erreichen.
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Häufig werden
derartige Randabschlüsse dadurch
hergestellt, dass der Halbleiterkörper des Leistungshalbleiterbauelements
in seinem Randbereich, beispielsweise im Bereich einer Ecke des
Halbleiterkörpers,
entfernt wird, um den Verlauf des elektrischen Feldes im Randbereich
in vorteilhafter Weise zu beeinflussen. Eine Übersicht über typische Randabschlüsse ist
beispielsweise in B. J. Baliga: "Power
Semiconductor Devices",
PWS Publishing, Boston, 1995, Seite 81 ff, beschrieben.
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Um
eine möglichst
hohe Durchbruchspannung des Bauelements zu erreichen, ist es entscheidend,
bei der Herstellung eines solchen Randabschlusses, der auch als
Randstruktur bezeichnet wird, eine vorgegebene Form möglichst
genau einzuhalten. Die dazu erforderlichen Verfahrensschritte sind
zum Einen aufwändig,
zum Anderen gestaltet sich eine exakte Reproduzierbarkeit der vorgegebenen
Form als schwierig. Bei herkömmlichen Verfahren
werden solche Randabschlüsse
durch mehrere Ätzschritte
hergestellt, wobei nach jedem Ätzschritt
die Durch bruchspannung ermittelt wird. Dieses Vorgehen wird fortgeführt bis
die gewünschte Durchbruchspannung
erreicht ist.
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Aus
der
US 6,696,705 B1 ist
eine Pin-Diode mit einer n-dotierten
Feldstoppzone bekannt, in deren Randbereich der Halbleiterkörper mittels Ätzen teilweise
entfernt wurde.
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Die
WO 00/04597 A2 zeigt ein asymmetrisch sperrendes Leistungshalbleiterbauelement
mit einem n-dotierten Randbereich, dessen Dicke zum Randbereich
zum lateralen Rand des Bauelements hin abnimmt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines Randabschlusses eines Halbleiterbauelements bereitzustellen,
das zu den Verfahrensschritten zur Herstellung aktiver Bauelementbereiche
möglichst
wenig zusätzliche
Verfahrensschritte erfordert und mit dem eine vorgegebene Form einer
Randstruktur mit hoher Genauigkeit hergestellt werden kann und ein
Halbleiterbauelement mit einem solchen Randabschluss bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Randabschlusses
eines Halbleiterbauelements gemäß Anspruch
1 und durch ein Bauelement gemäß Anspruch
11 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Randstruktur eines Halbleiterbauelements dadurch hergestellt,
dass nach Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einem Innenbereich
und einem den Innenbereich in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers umgebenden
Randbereich im Randbereich eine Phosphor enthaltende Zone hergestellt wird,
die sich ausgehend von einer Vorderseite des Halbleiterkörpers in
den Halbleiterkörper
hinerstreckt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Halbleiterkörper zumindest
im Randbereich geätzt, um
die Randstruktur zu erzeugen.
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Da
die Ätzrate,
mit der Material des Halbleiterkörpers
weggeätzt
wird, mit zunehmender Phosphorkonzentration ansteigt, lässt sich
die bei der Ätzung
erzielbare Ätztiefe
mittels einer vorgegebenen Verteilung der Phosphorkonzentration
innerhalb der Phosphorzone gezielt beeinflussen. Es ist daher vorgesehen,
die Phosphorzone so herzustellen, dass nach dem Herstellen der Phosphorzone
an einer bestimmten Stelle in der Phosphorzone die vorliegende Phosphorkonzentration
abhängig ist
vom Abstand zwischen der betreffenden Stelle und dem Innenbereich.
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Dazu
ist es vorgesehen, die Phosphorkonzentration in der Phosphorzone
in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers zu variieren. Eine erste
und besonders bevorzugte Möglichkeit
sieht dabei vor, Phosphor mittels eines Diffusions- oder Implantationsverfahrens
in den Halbleiterkörper
einzubringen, um die Phosphorzone herzustellen. Die Phosphorkonzentration
lässt sich
bei Anwendung eines Diffusions- bzw. Implantationsverfahren in besonders
einfacher Weise bei Verwendung einer strukturierten Maske variieren.
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Die
Strukturierung der Maske an einer Stelle wird dabei abhängig vom
Abstand der betreffenden Stelle zum Innenbereich gewählt. Die
Strukturierung der Maske umfasst Öffnungen, durch die Phosphor
in den Halbleiterkörper
eindringen kann. Dabei entstehen zunächst unterhalb der Öffnungen
der Maske voneinander beabstandete, Phosphor enthaltende Bereiche.
Durch Diffusionsvorgänge
breiten sich die Phosphor enthaltenden Bereiche im Halbleiterkörper aus
und können
sich bei geeignet gewählten
Diffusionsparametern überlagern.
Dabei können
die Diffusionsvorgänge
verstärkt
werden, indem man den Halbleiterkörper auf Temperaturen von bevorzugt über 900°C erwärmt.
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Durch
diese Diffusionsvorgänge
kommt es zu einer Glättung
im Verlauf der Phosphorkonzentration innerhalb des Halbleiterkörpers.
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Nach
dem Entfernen der Maske kann der Halbleiterkörper insbesondere im Bereich
der Phosphorzone bzw. der Randbereichs geätzt werden. Dabei werden vorzugsweise
nasschemische Ätzverfahren
angewendet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigen
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1 einen
Halbleiterkörper
mit einem Randbereich, der eine Randstruktur aufweist, im Querschnitt,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
der in 1 dargestellten Randstruktur im Querschnitt,
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3 einen
Abschnitt eines Halbleiterkörpers,
in den Phosphor unter Verwendung einer strukturierten Maske in den
Randbereich eingebracht wird, im Querschnitt,
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4 den
Abschnitt des Halbleiterkörpers gemäß 3,
bei dem sich der in den Halbleiterkörper eingebrachte Phosphor
durch Diffusion ausbreitet, im Querschnitt,
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5 den
Abschnitt des Halbleiterkörpers gemäß 4 nach
der im Wesentlichen vollständigen
Diffusion des Phosphors im Querschnitt,
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6 den
Abschnitt des Halbleiterkörpers gemäß 5 nach
der Ätzung
mit fertiggestellter Randstruktur im Querschnitt,
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7 einen
Abschnitt eines Halbleiterkörpers
mit einer stufenförmigen
Randstruktur im Querschnitt,
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8 einen
Thyristor mit einer erfindungsgemäßen Randstruktur im Querschnitt,
und
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9 eine
Diode mit einer erfindungsgemäßen Randstruktur
im Querschnitt.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugzeichen gleiche Teile mit gleicher
Bedeutung.
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1 zeigt
einen Halbleiterkörper 1 eines Halbleiterbauelements
mit einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Randstruktur. Der Halbleiterkörper 1 weist einen
Innenbereich 2 und einen den Innenbereich 2 in
einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 1 umgebenden
Randbereich 3 auf. Der Randbereich 3 liegt zwischen
dem Innenbereich 2 und einem Rand, der den Halbleiterkörper in
der lateralen Richtung begrenzt. Im Randbereich 3 ist im
Bereich einer Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 eine
Randstruktur ausgebildet. Ein durch ein gestricheltes Rechteck dargestellter,
die Randstruktur enthaltender Bereich ist in 2 vergrößert dargestellt.
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Der
Randbereich 3 umfasst in dem Beispiel einen ersten Abschnitt 31,
einen zweiten Abschnitt 32 und einen dritten Abschnitt 33.
Der erste Abschnitt 31 schließt sich bevorzugt an den Innenbereich 2 in
lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 an. Die Vorderseite 10 des
Halbleiterkörpers 1 ist
im ersten Abschnitt 31 des Randbereichs in dem dargestellten Beispiel
als Abschnitt eines Kreisbogens ausgebildet. Der Abschnitt des Kreisbogens
erstreckt sich bevorzugt über
einen Winkel von kleiner oder gleich 90°.
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Im
zweiten Abschnitt 32 des Randbereichs 3 ist die
Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 bevorzugt
annähernd
als Gerade ausgebildet. Dabei kann die Vorderseite 10 des
Halbleiterkörpers 1 im
Bereich des zweiten Abschnitts 32 des Randbereichs 3 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung parallel zu einer ersten Ebene E1 verlaufen, die bestimmt
ist durch die Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 im
Innenbereich 2.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, steigt – wie
in 2 dargestellt – der Abstand a41 zwischen
einer auf der Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 innerhalb
des zweiten Abschnitts 32 des Randbereichs 3 angeordneten
Stelle 41 und der ersten Ebene E1 mit zunehmendem Abstand
d41 der betreffenden Stelle 41 vom Innenbereich 2 linear
an.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist dabei der erste Abschnitt 31 des Randbereichs 3 zwischen
dem Innenbereich 2 und dem zweiten Abschnitt 32 des
Randbereichs 3 angeordnet.
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Des
Weiteren umfasst der Randbereich 3 einen dritten Abschnitt 33,
in dem die Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 bevorzugt
gerade ausgebildet ist und parallel zur ersten Ebene E1 verläuft.
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Alternativ
dazu kann die Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 im
dritten Abschnitt 33 des Randbereichs 3 entsprechend
dem zweiten Abschnitt 32 des Randbereichs 3 gegenüber der
ersten Ebene E1 geneigt sein. Die Vorderseite 10 kann hierbei
mit der ersten Ebene E1 im zweiten Abschnitt 32 des Randbereichs 3 und
im dritten Abschnitt 33 des Randbereichs 3 jeweils
einen Winkel einschließen.
Dabei ist der Winkel zwischen der Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 im
zweiten Abschnitt 32 des Randbereichs 3 und der
ersten Ebene E1 bevorzugt größer oder
gleich dem Winkel zwischen der Vorderseite 10 des dritten
Abschnitts 33 des Randbereichs 3 und der ersten
Ebene E1.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren,
mit dem die erläuterte
Randstruktur eines Halbleiterbauelements hergestellt werden kann,
näher erläutert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
ein Halbleiterkörper
bereitgestellt. Der Halbleiterkörper
umfasst einen Innenbereich und einen sich in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers an
den Innenbereich anschließenden
Randbereich.
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Nach
dem Bereitstellen des Halbleiterkörpers wird eine im Randbereich
des Halbleiterkörpers angeordnete
Phosphorzone hergestellt.
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Die
Herstellung einer solchen Phosphorzone kann insbesondere dadurch
erfolgen, dass in den Halbleiterkörper mittels eines Diffusions-
oder eines Implantationsverfahrens Phosphor oder eine Phosphorverbindung
von außen
in den Halbleiterkörper, insbesondere
in dessen Randbereich 3, eingebracht werden.
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Um
eine vorgegeben Verteilung der Phosphorkonzentration innerhalb des
Randbereichs 3 zu erreichen, wird – wie in 3 dargestellt – bevorzugt ein
maskiertes Diffusions- oder Implantationsverfahren angewendet.
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Dabei
wird an der Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 eine
strukturierte Maske 50 mit Öffnungen 51 angeordnet.
Bei dem Diffusions- oder Implantationsschritt kann Phosphor oder
eine phosphorhaltige Verbindung durch die Öffnungen 51 der Maske 50 hindurchtreten
und über
die Vorderseite 10 in den Halbleiterkörper 1 eindringen.
Die auf diese Weise an einer bestimmten Stelle des Randbereichs 3 erzeugte
Phosphorkonzentration hängt
dabei insbesondere von der Strukturierung der Maske 50 ab.
Die in ein bestimmtes Gebiet des Randbereichs 3 eingebrachte Phosphormenge
ist dabei um so größer, je
größer das
Verhältnis
zwischen der Fläche
der in diesem Gebiet angeordneten Maskenöffnungen 51 und der Fläche des
Gebiets ist.
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Nach
dem Einbringen des Phosphors oder der phosphorhaltigen Verbindung
weist der Halbleiterkörper 1 unterhalb
der Öffnungen 51 der
strukturierten Maske 50 phosphor-dotierte Zonen 11–17 auf. Durch
Diffusionsvorgänge,
die vorzugsweise durch Erhöhen
der Temperatur des Halbleiterkörpers 1,
beispielsweise auf über
900°C, hervorgerufen
werden können,
breitet sich der in den phosphor-dotierten Zonen enthaltende Phosphor
im Halbleiterkörper 1 aus,
bis die phosphor-dotierten Zonen 11–17 ineinander fließen und
einander überlappen.
Dadurch kommt es zu einer Glättung
in der Verteilung der Phosphorkonzentration in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers 1.
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In 4 sind
die diffundierten und einander überlagernden
phosphor-dotierten Zonen 11–17 schematisch gestrichelt
dargestellt. Zusammen bilden die phosphor-dotierten Zonen 11–17 die
Phosphorzone 20.
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Wie
in 5 gezeigt ist, erstreckt sich die Phosphor 61 aufweisende
Phosphorzone 20 auf ihrer dem Innenbereich 2 abgewandten
Seite weiter von der Vorderseite 10 in den Halbleiterkörper 1 hinein als
auf ihrer dem Innenbereich 2 zugewandten Seite, d.h. die
Eindringtiefe der Phosphorzone 20 in vertikaler Richtung
des Halbleiterkörpers 1 nimmt
in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 ausgehend
von dem Innenbereich 2 in Richtung des Randes zu. Des Weiteren
nimmt die Phosphorkonzentration innerhalb der Phosphorzone 20 mit
zunehmendem lateralem Abstand vom Innenbereich 2 monoton
oder streng monoton zu.
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Nach
dem Entfernen der Maske 50 sowie nach dem Aufbringen einer Ätzstoppschicht
auf die Bereiche des Halbleiterkörpers 1,
die bei dem nachfolgenden Ätzschritt
nicht geätzt
werden sollen, kann der Halbleiterkörper 1 geätzt werden.
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Als
bevorzugtes Ätzverfahren
wird dabei ein nasschemisches Ätzverfahren
angewendet. Da die Ätzrate,
mit der Material des Halbleiterkörpers 1 weggeätzt wird,
durch die Phosphorkonzentration des Materials beeinflusst wird,
ist die nahe des Randes erreichte Ätztiefe t1 größer als
die nahe des Innenbereichs 2 erreichte Ätztiefe t2. Nach dem Ätzen kann die Ätzstoppschicht
wieder entfernt werden, so dass der Halbleiterkörper 1 die in 6 dargestellte
Randstruktur aufweist.
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Der
Verlauf der in 6 gezeigten Randstruktur entspricht
der bereits anhand der 2 ausführlich erläuterten Randstruktur.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform einer
derartigen Randstruktur sieht in einen stufigen Aufbau vor, der
schematisch in 7 gezeigt ist. Dabei weist der
Randbereich eine Anzahl in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 1 aufeinander
folgende Abschnitte 71–76 auf,
in denen die Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 umso
weiter von der ersten Ebene E1 beabstandet ist, je weiter der betreffende Abschnitt 71–76 vom
Innenbereich 2 beabstandet ist. Abhängig von der Anzahl der Abschnitte 71–76 lässt sich
dabei ein bestimmter, vorgegebener Verlauf der Randstruktur annäherungsweise
erreichen.
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Um
mit einer stufenartig aufgebauten Randstruktur näherungsweise die in 2 beschriebene Randstruktur
zu erreichen, sind die einzelnen Stufen derart gewählt, dass
ihre Einhüllende 60 dem
Verlauf der in 2 dargestellten Randstruktur
entspricht.
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Eine
derartige Randstruktur kann insbesondere bei einem Thyristor, wie
er in 8 gezeigt ist, in besonders einfacher Weise erzeugt
werden. Der Thyristor weist in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 1 ausgehend
von der Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 einen n-Emitter 5,
eine p-Basis 6, eine n-Basis 7 und einen p-Emitter 8 auf.
Im Randbereich 3 des Halbleiterkörpers 1 ist eine zuvor erläuterte Randstruktur
ausgebildet.
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Die
Herstellung des n-Emitters 5 erfolgt bei einem Thyristor
beispielsweise derart, dass in die bereits vorhandene p-Basis 6 ausgehend
von der Vorderseite 10 n-dotierendes Material eingebracht
wird, um eine n-Nettodotierung zu bewirken. Da Phosphor einerseits
bei einem Halbleiterkörper 1,
der z.B. aus Silizium gebildet ist, n-dotierend wirkt und andererseits
die Ätzrate
in der beschriebenen Weise beeinflusst, können eine Phosphorzone, wie
sie voranstehend beschrieben wurde, und der n-Emitter 5 gemeinsam
während
eines Diffusions- oder Implantationsschrittes hergestellt werden.
Dazu muss lediglich die zur Herstellung des n-Emitters 5 eines
herkömmlichen
Thyristors verwendete Maske derart modifiziert werden, dass sie
im Randbereich 3 des Halbleiterkörpers 1, in dem sie
bisher geschlossen ausgebildet ist, entsprechend der in 3 gezeigten
Anordnung mit Öffnungen 51 versehen
wird.
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Die Ätztiefe
der Randstruktur 3 ist vorzugsweise so auf den pn-Übergang
zwischen dem n-Emitter 5 und der p-Basis 6 abgestimmt,
dass die im Randbereich gebildete Aussparung in vertikaler Richtung
in etwa bis auf Höhe
dieses pn-Übergangs reicht.
Bezugnehmend auf die in 5 definierte Ätztiefe
t1 bedeutet dies, dass die Ätztiefe
in etwa den Abmessungen des n-Emitters 5 in vertikaler
Richtung entspricht.
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Bei
der Herstellung der Randstruktur einer Diode, wie sie in 9 gezeigt
ist, ist dagegen ein separater Verfahrensschritt, in dem eine Maske
auf den Halbleiterkörper
aufzubringen ist, erforderlich.
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9 zeigt
die fertiggestellte Diode, in der ausgehend von der Vorderseite 10 des
Halbleiterkörpers 1 in
vertikaler Richtung aufeinander folgend eine p-dotierte Zone 71,
eine n-dotierte
Zone 72 sowie eine stark n-dotierte Zone 73 angeordnet
sind. Bei einem Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik kann
die stark n-dotierte Zone 73, die zunächst ebenso und gleich stark
wie die Zone 72 n-dotiert ist, dadurch hergestellt werden,
dass in dem Halbleiterkörper 1 ausgehend
von der der Vorderseite 10 gegenüberliegenden Rückseite
Phosphor oder eine phosphorhaltige Verbindung in den Halbleiterkörper 1 eingebracht
wird, wodurch die stark n-dotierte Zone 73 entsteht.
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Die Ätztiefe
der Randstruktur 3 ist vorzugsweise so auf den pn-Übergang
zwischen der p-dotierten Zone 71, die den p-Emitter bildet, und
der n-dotierten Zone 72, die in dem Beispiel die n-Basis
bildet, abgestimmt, dass die im Randbereich gebildete Aussparung
in vertikaler Richtung in etwa bis auf Höhe dieses pn-Übergangs
reicht. Bezugnehmend auf die in 5 definierte Ätztiefe
t1 bedeutet dies, dass die Ätztiefe
in etwa den Abmessungen des p-Emitters 71 in vertikaler
Richtung entspricht.
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Eine
Phosphorzone zur Herstellung einer Randstruktur und die stark n-dotierte
Zone 73, die den n-Emitter bildet, können dabei mittels desselben Diffusionsschrittes
erzeugt werden. Dazu muss auf die Vorderseite 10 des Halbleiterkörpers 1 eine
Maske aufgebracht werden, die, wie z.B. die in 3 gezeigte
Maske 50, im Randbereich 3 des Halbleiterkörpers 1 strukturiert
ist. Im Innenbereich 2 ist diese Maske dabei bevorzugt
geschlossen ausgebildet. Zum Ätzen
der Randstruktur wird der Halbleiterkörper 1 bevorzugt mit
einer Ätzstoppschicht
versehen, die jedoch im Bereich der Phosphorzone 20 ausgespart
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist selbstverständlich
auch zur Herstellung einer Randstruktur beliebiger anderer hochsperrender
Halbleiterbauelemente wie IGBTs, MOSFETs oder dergleichen geeignet.
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- 1
- Halbleiterkörper
- 2
- Innenbereich
- 3
- Randbereich
- 10
- Vorderseite
- 11–17
- Phosphor-dotierte
Zone
- 31
- erster
Abschnitt des Randbereichs
- 32
- zweiter
Abschnitt des Randbereichs
- 33
- dritter
Abschnitt des Randbereichs
- 20
- Phosphorzone
- 41
- Stelle
der Vorderseite
- 50
- Maske
- 51
- Öffnung der
Maske
- 60
- Einhüllende
- 61
- Phosphor,
Phosporverbindung
- 71–76
- Abschnitte
des Randbereichs
- E1
- Erste
Ebene
- a41
- Abstand
- d41
- Abstand
- t1,
t2
- Ätztiefe