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Die
Erfindung betrifft ein Halbleiterelement, insbesondere ein Halbleiterelement,
das eine hohe Durchbruchspannung erfordert.
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Beschreibung
eines herkömmlichen
Ausführungsbeispiels
nach dem Stand der Technik.
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Es
ist wichtig, dass ein Halbleiterelement, das eine hohe Spannung
mittels eines pn-Übergangs absperrt,
eine elektrische Feldstärke
an einer Übergangsoberfläche, die
sich in Kontakt mit einer Substanz, die eine verschiedene Dielektrizitätskonstante aufweist,
unterstützen,
und damit eine Durchbruchspannung in vergleichbarer Höhe mit einer
Feldstärke
im Übergang
innerhalb des Siliziumsubstrates realisieren muss.
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Aus
diesem Grund wird eine Feldbegrenzungsringstruktur, eine SIPOS (Semi-Insulating Polycrystalline
Silicon) Struktur und eine vergleichbare Struktur üblicherweise
als eine Übergangsbeendigungsprozessstruktur
verwendet.
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SIPOS Struktur
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13 zeigt
eine Schnittstruktur einer Siliziumdiode 80, die eine SIPOS
Struktur als eine Übergangsbeendigungsprozeßstruktur
aufweist.
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Wie
in 13 gezeigt, umfasst die Siliziumdiode 80 eine
p-Typ-Dotierungsschicht 202, die als eine Arbeitsregion
der Diode fungiert und eine p-Typ Dotierung in einer relativ hohen
Konzentration (p+) beinhaltet, und eine
p-Typ-Dotierungsschicht 208, die
einen überlappenden
Teil mit einem Kantenteil der p-Typ
Dotierungsschicht 202 aufweist und die p-Typ Dotierung,
in horizontaler, zu einem äußeren peripheren
Teil ausgedehnten Richtung in einer relativ niedrigen Konzentration
(p–) in
einer der Hauptoberflächen
eines Siliziumsubstrates 201, das eine n-Typ Dotierung
in einer relativ niedrigen Konzentration (n–)
enthält,
einschließt.
Die p-Typ Dotierungsschicht 208 weist eine dreistufige
Gestalt auf. Die Stufen überlappen
einander und haben eine solche Form, dass eine Übergangstiefe und eine Konzentration
zur äußeren Peripherie
hin reduziert werden. Die p-Typ Dotierungsschicht 208 dient
dabei dazu, die p-Typ Dotierungsschicht 202 auf einer Ebene
zu umgeben.
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Eine
maximale Tiefe der p-Typ-Dotierungsschicht 208 ist beispielsweise
20 μm in
einem Element, das eine Durchbruchsspannung von 1,2 kV aufweist
und 70 μm
in einem Element, das eine Durchbruchsspannung von 5 kV aufweist.
Im allgemeinen hat die p-Typ Dotierungsschicht 202 eine
Tiefe von 5 bis 40 μm.
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Eine
Anodenelektrode 204 ist auf der p-Typ Dotierungsschicht 202 angeordnet
und ein SIPOS Film 206 ist von einem oberen Teil der p-Typ
Dotierungsschicht 208 bis zu einem oberen Teil des äußeren peripheren
Teils angeordnet und ein Siliziumnitritfilm (Si3N4) 207 ist auf dem SIPOS Film 206 aufgebracht.
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Der
SIPOS Film 206 weist eine Dicke von 500 μm auf und
enthält
beispielsweise 10% Sauerstoff. Weiterhin weist der Siliziumnitritfilm 207 eine Dicke
von 150 nm auf.
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Eine
n-Typ Dotierungsschicht 203, die eine n-Typ Dotierung in
einer relativ hohen Konzentration (n+) aufweist,
ist auf der anderen Hauptoberfläche des
Siliziumsubstrates 201 angeordnet und eine Kathodenelektrode 205 ist
auf der n-Typ Dotierungsschicht 203 aufgebracht. Somit
ist die p-Typ Dotierungsschicht 208, die die dreistufige
Form aufweist, dazu ausgeführt,
um das Operationsgebiet der Diode zu umgeben. Damit wird eine Verarmungsschicht
DL während
des Betriebs des Gerätes
so ausgedehnt, dass ein elektrisches Feld eines p-n Übergangsteils aufgebaut
wird und eine Durchbruchsspannung bereitgestellt wird.
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In
dem Fall, in welchem eine Rückspannung an
die Siliziumdiode 80 angelegt wird, fließt ein Strom zu
dem SIPOS Film 206, so daß der SIPOS Film 206 eine
elektrische Feldverteilung des Halbleitersubstrats 201 stabilisiert.
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Weiterhin
fungiert der Siliziumnitritfilm 207 als ein Schutzfilm
und trägt
dabei zum stabilen Aufrechterhalten der Durchbruchsspannung bei.
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Im
folgenden wird eine Methode zum Aufbau der p-Typ Dotierungsschicht 208 unter
Bezug auf 14 beschrieben. Wie 14 zu
entnehmen ist, ist die p-Typ Dotierungsschicht 202 in einer
beiden Hauptoberflächen
des Siliziumsubstrates 201 ausgebildet und eine Fotolackmaske
RM wird dann darüber gelegt,
um schablonenhaft die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 201 zu
bedecken.
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Die
Fotolackmaske RM besitzt solch eine Schablonenform, dass eine Öffnung OP1
ein großes Gebiet,
welches einem Gebiet der tiefsten Diffusionsschicht in der dreistufigen
p-Typ Dotierungsschicht 208 entspricht, bereitgestellt
wird, während
eine Mehrzahl von Öffnungen
OP2 auf zwei anderen Diffusionsschichten angeordnet sind und die
Zahl der Öffnungen
OP2 verringert ist, wenn eine Diffusionstiefe reduziert wird.
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Bei
Verwendung einer Photolackmaske RM, die solch eine Struktur aufweist,
als eine Ionenimplantationsmaske kann eine effektive Implantationsmenge
für jede
Diffusionsschicht geändert
werden und die p-Typ-Dotierungsschicht 208, die die dreistufige
Form aufweist, kann durch thermische Diffusion im Anschluss an die
Ionenimplantation erzeugt werden.
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Feldbegrenzungsringstruktur
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Im
folgenden wird eine Schnittstruktur einer Siliziumcarbiddiode 90,
die eine Feldbegrenzungsringstruktur als eine Übergangsbeendigungsprozessstruktur
aufweist, in Bezug auf 15 erläutert.
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Weil
Siliziumcarbid eine größere Energielücke zwischen
Bändern
als diejenige von Silizium aufweist, weist dieses eine größere thermische
Stabilität auf,
sodass ein Siliziumcarbidelement bei einer hohen Temperatur von
1000 K (Kelvin) oder weniger betrieben werden kann. Zusätzlich dazu
weist Siliziumcarbid eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Damit kann ein
Siliziumcarbidelement bei einer hohen Dichte bereitgestellt werden.
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Weiterhin
weist Siliziumcarbid eine Durchbruchsfeldstärke auf, welche annähernd zehn
mal größer als
die von Silizium ist. In einem Störzustand ist daher Siliziumcarbid
für ein
Gerät verwendbar,
das unter einer Bedingung betrieben wird, dass möglicherweise eine hohe Spannung
erzeugt wird.
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Andererseits
weist die SIPOS-Struktur eine hohe Temperaturabhängigkeit auf. In der Siliziumcarbiddiode,
die einen großen
Arbeitstemperaturbereich umfasst, besteht daher die Möglichkeit,
dass sich ein Spannungssperrvermögen
bei niedrigen und hohen Temperaturen extrem ändert. Deswegen, ist es nicht vorteilhaft,
die SIPOS Struktur auf eine Siliziumcarbiddiode anzuwenden. Aus
diesem Grund wird die Feldbegrenzungsringstruktur im allgemeinen
an einer Siliziumcarbiddiode angewandt.
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Wie
in 15 gezeigt ist, ist in der Siliziumcarbiddiode 90 einer
epitaktischen Schicht 303 vom n-Typ, die eine n-Typ Dotierung
in einer relativ niedrigen Konzentration (n–) enthält, an einer der Hauptoberflächen eines
Siliziumcarbidsubstrates 301 angeordnet, die eine n-Typ
Dotierung in einer relativ hohen Konzentration enthält (n+).
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Die
epitaktische n-Typ Schicht 303 weist eine Stufenstruktur
auf, die einen Vorsprung PP und ein Basisabsatzteil BP und eine
p-Typ Dotierungsschicht 302, die eine p-Typ Dotierung in
einer relativ hohen Konzentration (p+) enthält und als
ein Operationsgebiet der Diode dient, aufweist. Die p-Typ Dotierungsschicht 303 ist
in eine Oberfläche
des Vorsprungs PP eingearbeitet.
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Eine
Seitenoberfläche
des Vorsprungs PP ist so ausgeführt,
dass eine Seitenoberfläche
der epitaktischen n-Typ Schicht 303 einen Neigungswinkel in
bezug auf eine pn-Übergangsgrenzfläche der
epidaktischen n-Typ Schicht 303 und der p-Typ Dotierungsschicht 302 aufweist.
Damit wird eine Schrägstruktur
erreicht.
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Ein
Siliziumoxidfilm 307 ist von der Seitenoberfläche des
Vorsprungs PP, von dem ein Übergangsende
des pn-Übergangs
einer Oberfläche
des Basisabsatzteils BP ausgesetzt ist, angeordnet, wobei das Übergangsende
verdeckt ist.
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Darüber hinaus
ist der untere Basisabsatzteil BP selektiv mit einer p-Typ Dotierungsschicht 308, die
eine p-Typ Dotierung mit einer relativ niedrigen Konzentration (p–) zum Umgeben
des Vorsprungs PP enthält,
versehen und bildet damit einen Feldbegrenzungsring aus. Der Feldbegrenzungsring
ist in einen Fließzustand
(floating state) versetzt.
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Eine
Anodenelektrode 304 ist auf der p-Typ Dotierungsschicht 302 angeordnet
und eine Kathodenelektrode 305 ist auf der anderen Hauptoberfläche des
Sililziumcarbidsubstrates 301 angeordnet.
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Weil
der Feldbegrenzungsring 308 dazu ausgeführt ist, um das Operationsgebiet
der Diode zu umschließen,
kann eine hohe Durchbruchspannung angelegt werden. Im einzelnen
wird, wenn eine Rückwandspannung
an die Diode 90 angelegt wird, eine Verarmungsschicht um
einen Hauptübergang
herum ausgebildet. Wenn die Rückwandspannung
erhöht wird,
dehnt sich die Verarmungsschicht zur äußeren peripheren Seite aus
und der Hauptübergang
und der feldbegrenzende Ring greifen durch, bevor ein lawinenartiger
Durchbruch des Hauptübergangs
verursacht wird. Dadurch kann ein maximaler Feldeffekt einer gekrümmten Region
des Hauptübergangs
unterstützt
und eine Durchbruchspannung aufrechterhalten werden.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer der Siliziumcarbiddiode 90 wird
im folgenden unter Bezugnahme auf die 16–24 beschrieben,
die Teildarstellungen des Herstellungsprozesses beinhalten.
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Bei
einem in 16 dargestellten Schritt wird
zu Beginn ein Siliziumcarbidsubstrat 301, das ein n-Typ-Dotierung
in einer relativ hohen Konzentration (n+) enthält, vorbereitet, und Siliziumcarbid
wird auf eine der beiden Hauptoberflächen mittels einer epitaktischen
Wachstumsmethode aufgebracht, um eine epitaktische n-Typ Schicht 303 auszubilden,
die eine Dotierungskonzentration von 8 × 1014 enthält (17).
Die epitaktische n-Typ Schicht 303 weist eine Dicke von
etwa 50 μm
auf.
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An
einem in gezeigten 18 Schritt wird daraufhin mittels
thermischer Diffusion eine Ionendotierung vom p-Typ in eine Hauptoberfläche der
epitaktischen n-Typ Schicht 303 vorgenommen, um eine p-Typ
dotierte Schicht 302 zu erzeugen, die eine p-Typ Dotierung
in einer relativ hohen Konzentration (p+) enthält.
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In
einem in 19 gezeigten Schritt wird dann
die p-Typ Dotierungsschicht 302, die auf der äußeren Peripherie
der Operationsregion angeordnet ist, unter Verwendung einer photolithographischen Technik
und einer anisotropen Ätztechnik
entfernt, sodass die p-Typ Dotierungsschicht 302 nur in
einem Teil verbleibt, das das Operationsgebiet bildet. Ebenfalls
wird ein Teil der epitaktischen n-Typ Schicht 303 mit entfernt,
sodass eine Stufenform, die einen Vorsprung PP und ein Basisabsatzteil
BP aufweist, geschaffen wird.
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Der
Vorsprung PP hat eine Schrägstruktur,
in welcher eine Seitenoberfläche
von dieser mit einem Neigungswinkel ausgebildet ist und eine Seitenoberfläche der
epitaktischen n-Typ Schicht 303 eine Neigung aufweist bezüglich einer
pn-Übergangsgrenzfläche der
n-typ epitaktischen Schicht 303 und der p-typ dotierte
Schicht 303, die in dem Operationsgebiet verbleibt.
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In
einem in 20 gezeigten Schritt wird sodann
eine Widerstandsfotolackmaske RM1 über die gesamte Oberfläche aufgebracht
und eine Öffnung OP3
geschaffen, um den Vorsprung PP in der Fotolackmaske RM1, der auf
dem Basisabsatzteil BP angeordnet ist, wie in 21 zu
umgeben. Eine p-Typ Dotierung wird in eine Hauptoberfläche der
epitaktischen n-typ-Schicht 303 über die Öffnung OP3 mittels Ionenimplantation
eingebracht, und bildet dabei eine p-typ-Dotierungsschicht 308 aus,
die die p-Typ Dotierung in einer relativ niedrigen Konzentration (p–) enthält.
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Nachdem
die Widerstandsfotolackmaske RM1 entfernt wurde, wird ein Siliziumoxidfilm 307 über die
gesamte Oberfläche
aufgebracht, wie in 22 gezeigt.
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In
einem Schritt, der in 23 gezeigt ist, wird dann der
Siliziumoxidfilm 307, entfernt, sodass ein oberer Teil
der p-Typ Dotierungsschicht 302, die als Operationsgebiet
dient, als Öffnung
OP4 dient. Diesmal wird der Siliziumoxidfilm 307 selektiv
entfernt, sodass die seitliche Oberfläche des Vorsprungs PP und des
Basisabsatzteils BP zuverlässig
mit dem Siliziumoxidfilm 307 bedeckt sind.
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Bei
einem in 24 gezeigten Schritt wird daraufhin
eine Anodenelektrode 304 auf die p-Typ Dotierungsschicht 302 an
der Öffnung
OP4 aufgebracht. Abschließend
wird eine Kathodenelektrode 305 auf der anderen Hauptoberfläche des
Siliziumcarbidsubstrates 301 aufgebracht. Damit ist die
Siliziumcarbiddiode 90, die in 15 gezeigt
ist, fertiggestellt.
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Obwohl
die p-Typ Dotierungsschicht 308 den Feldbegrenzungsring
enthält,
weist das Siliziumcarbid ein durchbruchselektrisches Feld auf, welches ungefähr zehn
mal größer als
dasjenige von Silizium ist. Wie aus einer einfachen Rechnung hervorgeht,
ist es ausreichend, dass die Zahl der feldbegrenzenden Ringe ein
Zehntel derjenigen Ringe beträgt,
die im Falle eines aus Silizium ausgeführten Feldbegrenzungsringes
notwendig sind.
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Während die
SIPOS Struktur oder die Feldbegrenzungsringstruktur für die Übergangsbeendigungsprozessstruktur
in dem konventionellen Halbleiterelement wie oben erwähnt angewandt
wird, bestehen die folgenden Probleme.
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Im
einzelnen weist die Leitfähigkeit
des SIPOS Films eine große
Temperaturabhängigkeit
auf und nimmt zu, wenn die Temperatur erhöht wird. Die Leitfähigkeit
verändert
sich annähernd
zweistellig zwischen Raumtemperatur und einer Temperatur von 125°C. Damit
verändert
sich die Spannungssperrwirkung bei Raumtemperatur und der Temperatur
von 125°C,
und ein Leckstrom nimmt bei der Temperatur von 125°C zu. Demnach
erhöht
sich die Temperatur weiterhin, und ein Leckstrom nimmt weiterhin
zu, mit einem Spannungsabfall [im Original current loss], der durch
einen Leckstrom bei einer hohen Temperaturen bewirkt wird. Durch
die positive Rückwirkungsfunktion
ergibt sich somit die Möglichkeit,
dass der Betrieb des Halbleiterelementes unkontrollierbar wird.
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Weiterhin
wird die Leitfähigkeit
des SIPOS Films durch eine Konzentration von enthaltenem Sauerstoff
beeinflusst. Es ist jedoch nicht einfach, die Sauerstoffkonzentration
in einer hohen Präzision
innerhalb des Herstelllungsprozesses zu einzustellen und zu überwachen.
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Andererseits
sind die Dotierungskonzentrationen und die Diffusionstiefe des feldbegrenzenden Rings
für gewöhnlich von
denen des Hauptübergangs
in dem Operationsgebiet verschieden. Der Feldbegrenzungsring wird
in einem getrennten Herstellungsschritt in Bezug auf die Herstellung
des Hauptüberganges
erzeugt, sodass ein optimaler Zustand benötigt wird. Dadurch wird der
Herstellungsprozess kompliziert und eine Reduzierung der Herstellungskosten
kann somit nicht erreicht werden.
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Aus
der
US3760241 ist es
bekannt einen Durchbruch eines pn-Übergangs nahe der Oberfläche des
Halbleiters zu vermeiden, in dem ein Schottky-Kontakt kreisförmig darum
ausgebildet wird. Dazu soll der Abstand zwischen pn-Übergang
und Schottky-Kontakt
entsprechend gering sein. Aus dieser Schrift sind die Merkmale des
Oberbegriffes des Anspruchs 1 bekannt.
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Zusammenfassung der Erfindung.
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Ausgabe
der Erfindung ist es, ein Halbleiterelement anzugeben, dessen Betrieb
von einem Unkontrollierbarwerden bewahrt werden kann, um eine hohe
Verlässlichkeit
zu erreichen, einen Herstellungsprozess in einfacher Weise auszuführen und Herstellungskosten
zu reduzieren.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterelement, welches eine
zugrunde liegenden Halbleiterschicht aufweist, die eine Region beinhaltet,
in welcher ein PN Übergang
ausgebildet wird, der eine Hauptoberfläche der zugrundeliegenden Halbleiterschicht
erreicht, und mindestens eine Schottky-Metallschicht, die wie einen
Ring um die Hauptoberfläche
der zugrundeliegenden Halbleiterschicht ausgebildet ist, aufweist,
die in einem Schottky-Kontakt mit der zugrunde liegenden Halbleiterschicht
steht, um das Gebiet zu umgeben.
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Die
Schottky-Metallschicht ist wie ein Ring auf der Hauptoberfläche der
zugrunde liegenden Halbleiterschicht in einem Schottky-Kontakt mit
der zugrunde liegenden Halbleiterschicht ausgebildet, um ein Gebiet
zu umgeben, in welchem der PN Übergang
ausgebildet ist. Damit wird eine Verarmungsregion, die eine sehr
niedrige Störstellenkonzentration aufweist,
in der Hauptoberfläche
der zugrundeliegenden Halbleiterschicht ausgebildet, um solch eine
Tiefe aufzuweisen, die meist gleich oder größer als eine Tiefe des Hauptüberganges
ist, der einem Teil entspricht, in welchem die Schottky-Metallschicht
angeordnet wird. Wenn eine Rückseitenspannung
an das Halbleiterelement angelegt wird, wird eine Verarmungsschicht
zunächst
um den Hauptübergang
herum ausgebildet. Wird die Rückseitenspannung
erhöht,
dehnt sich die Verarmungsschicht zur äußeren peripheren Seite aus
und der Hauptübergang
und die Verarmungsschicht greifen durch, bevor ein Lawinendurchbruch
des Hauptüberganges
verursacht wird. Daraus folgend ist die Verarmungsschicht so ausgedehnt,
um solch eine Tiefe aufzuweisen, die meist gleich oder größer als
die Tiefe des Hauptübergangs
ist, sich zur äußeren peripheren
Seiten erstreckt und ein maximales elektrisches Feld eines bogenförmigen Teils
des Hauptüberganges
unterdrückt und
eine hohe Durchbruchspannung angelegt werden kann. Im Unterschied
zu dem Fall, in welchem ein feldbegrenzender Ring als eine Übergangsbeendigungsprozessstruktur
verwendet wird, ist es darüber
hinaus nicht notwendig, einen extra dafür vorgesehenen pn-Übergang in der Oberfläche des
halbleitenden Substrates auszubilden. Damit können ein Herstellungsverfahren
vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert werden. Im Unterschied
zu dem Fall, in welchem ein SIPOS Film als die Übergangsbeendigungsprozessstruktur
verwendet wird, wird weiterhin eine Komponente, die eine große Temperaturabhängigkeit
aufweist, nicht benötigt.
Damit kann auch dann, wenn eine Zunahme einer Temperatur eintritt,
eine Operation davor bewahrt werden, unkontrollierbar zu werden.
Somit ist es möglich,
ein Halbleiterelement bereitzustellen, das eine hohe Verlässlichkeit
aufweist.
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Diese
und andere Objekte, Ausgestaltung Aspekte und Vorteile der hier
dargestellten Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung
der Erfindung ersichtlich, wobei diese sich auf die nachfolgenden
Figuren beziehen.
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Kurzbeschreibung der Figuren.
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1 eine
Schnittdarstellung einer Struktur eines Halbleiterelementes in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2–12 Schnittdarstellungen
mit einer Darstellung eines Herstellungsprozesses des Halbleiterelementes
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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13 eine
Schnittdarstellung einer Struktur eines konventionellen Halbleiterelementes
mit Verwendung eines SIPOS Films als eine Übergangsbeendigungsprozessstruktur,
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14 eine
Schnittdarstellung zur Illustrierung eines Herstellungsprozesses
des konventionellen Halbleiterelementes bei Verwendung des SIPOS Films
als Übergangsbeendigungsprozeßstruktur,
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15 eine
Schnittdarstellung einer Struktur eines konventionellen Halbleiterelementes
mit Verwendung eines Feldbegrenzungsringes als Übergangsbeendigungsprozeßstruktur,
und
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16–24 Schnittdarstellungen
eines Herstellungsprozesses des konventionellen Halbleiterelementes
bei Verwendung des Feldbegrenzungsringes.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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A. Struktur des Elementes
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1 zeigt
eine Schnittstruktur einer Siliziumdiode 100 in Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie
in 1 gezeigt, weist die Siliziumdiode 100 eine
p-dotierte Schicht 102 (p-type impurity layer), die als eine Operationsregion
der Diode dient und eine p-Typ-Dotierung
(p+) in einer relativ hohen Konzentration
in einer der Hauptoberflächen
des Siliziumsubstrates 101, das eine n-Typ Dotierung in
einer relativ niedrigen Konzentration (n–)
enthält,
und eine Mehrzahl von ringförmigen
Schottky-Metallschichten 106 auf,
die konzentrisch an der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 101 um
ein Gebiet angeordnet sind, in welchem die p-dotierte Schicht 102 mit
einer Schicht zwischen dieser ausgebildet ist, um die p-dotierte
Schicht 102 einzuschließen.
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Ein
Siliziumoxidfilm 107 ist auf der Hauptoberfläche des
Siliziumsubstrates 101 um die p-dotierte Schicht 102,
einschließlich
der Schottky Metallschichten 106 und einer Anodenelektrode 104 auf der
p-dotierten Schicht 102 angeordnet.
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Weiterhin
ist eine n-dotierte Schicht 103, die in eine n-Dotierung
in einer relativ hohen Konzentration (n+)
enthält,
auf der anderen Hauptoberfläche des
Siliziumsubstrats 101 angeordnet, und eine Kathodenelektrode 105 ist
auf der n-dotierten Schicht 103 angeordnet. Da das Siliziumsubstrat 101,
die p-dotierte Schicht 102 und die n-dotierte Schicht 103 als
Grundschichten der Schottky-Metallschicht 106 wirken, kann
eine Schicht, die durch diese Schichten zusammengesetzt ist, als
eine zugrundeliegende Halbleiterschicht bezeichnet werden.
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Bei
einer solchen Struktur tritt die Schottky-Metallschicht 106 in
einen Schottky-Kontakt
mit dem Siliziumsubstrat 101, um eine Verarmungsregion 108 auszubilden,
die eine sehr geringe Störstellenkonzentration
bis zu einer solchen Tiefe aufweist, die nahezu gleich oder größer als
die Tiefe eines Hauptüberganges
in der Hauptoberfläche
des Siliziumsubstrates 101 ist.
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Wenn
eine Rückwärtsvorspannung
an die Diode 100 angelegt wird, bildet sich die Verarmungsschicht
als erstes um den Hauptübergang
aus. Wird die Rückwärtsvorspannung
erhöht,
dehnt sich die Verarmungsschicht zur äußeren peripheren Seite aus
wobei der Hauptübergang
und die Verarmungsschicht 108 durchgreifen, bevor ein Lawinendurchbruch
des Hauptüberganges
verursacht wird. Wie in 1 gezeigt, dehnt sich damit
eine Verarmungsschicht DL aus, die eine Tiefe, die nahezu gleich
oder größer als
die Tiefe des Hauptüberganges
ist. Diese wird zur äußeren peripheren
Seite ausgedehnt, so dass ein maximales elektrisches Feld eines
kurvenförmigen
Teils des Hauptübergangs
unterdrückt
wird.
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B. Herstellungsverfahren
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Ein
Verfahren zur Herstellung der Siliziumdiode 100 wird im
folgenden unter Bezug auf die Schnittdarstellungen der 2 bis 12,
die in einer fortlaufenden Reihenfolge den Herstellungsprozess zeigen,
dargestellt.
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Zunächst wird
ein Siliziumsubstrat 101, das eine n-Dotierung in einer
relativ niedrigen Konzentration (n–)
enthält,
in einem in 2 gezeigten Schritt präpariert
mit einer Fotolackmaske RM11 auf einer gesamten Hauptoberfläche des
Siliziumsubstrates 101 wie in 3 gezeigt,
beschichtet.
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Als
ein in 4 gezeigter Schritt wird die Fotolackmaske RM11
entsprechend mit einem Anteil, der als Operationsgebiet vorgesehen
ist, selektiv entfernt, um eine dem Operationsgebiet entsprechende offene
Stelle OP11 zu erzeugen. Wie in 5 gezeigt,
wird eine p-Typ-Dotierung in die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrates 101 über die
offene Stelle OP11 durch eine Ionenimplantation vorgenommen und
diffundiert thermisch ein. Dadurch wird eine p-Typ Dotierungsschicht 102,
die eine p-Typ Dotierung in einer relativ hohen Konzentration beinhaltet (p+) im Operationsgebiet ausgebildet. Die Konzentration
der p-Typ Implantationsschicht 102 ist durch den Optimierungsspielraum
der dynamischen Eigenschaften der Diode 100 festgelegt
und kann nicht allgemein definiert werden. Eine Oberflächenkonzentration
reicht von 1 × 1016 cm–3 bis 1 × 1019 cm–3.
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Nachdem
die Fotolackmaske RM11 entfernt wurde, wird eine n-Typ Dotierungs-Ionenart auf die andere
Hauptoberfläche
des Siliziumsubstrates 101 implantiert, wobei diese thermisch
eindiffundiert, um eine n-Typ Dotierungsschicht 103, die
eine n-Typ Dotierung in einer relativ hohen Konzentration (n+) enthält,
auszbil den, wie in 6 gezeigt. Eine Grenzfläche der
p-Typ Dotierungsschicht 103 und des Siliziumsubstrates 101 bildet
einen pn-Übergang
und ein Ende von diesem erreicht somit die Hauptoberfläche des
Siliziumsubstrates 101.
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Als
ein in 7 dargestellter Schritt wird dann ein Siliziumoxidfilm 107 beispielsweise
mittels einer CVD Aufdampfmethode (chemical vapor deposition) über die
gesamte Hauptoberfläche
an der Seite aufgebracht, auf welcher die p-Typ Dotierungsschicht 102 ausgebildet
wurde.
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Als
ein nächster
in 8 dargestellter Schritt wird der Siliziumoxidfilm 107 selektiv
unter Verwendung einer fotolithografischen Technik und einer anistropen Ätztechnik
entfernt, um eine Öffnung
OP12 auf der p-Typ-Dotierungsschicht 102 für eine für ein Operationsgebiet
und eine Vielzahl von ringförmigen Öffnungen
OP13 zu schaffen, die die offene Stelle OP12 konzentrisch umgeben.
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An
einem in 9 gezeigten Schritt wird die Öffnung OP13
aufgefüllt,
und eine Mehrzahl von ringförmigen
Schottky-Metallschichten 106, die einen Schottky-Kontakt
mit dem Siliziumsubstrat 101 ausbilden, werden beispielsweise
durch eine Aufdampfmethode ausgebildet. Im einzelnen wird die Schottky-Metallschicht 106 über die
gesamte Oberfläche ausgebildet
und dann selektiv unter Verwendung der photolithographischen Technik
und der anisotropen Ätztechnik
entfernt, sodass die Schottky-Metallschicht 106 nur auf
dem oberen Teil der Öffnung OP13
verbleibt. Titan (Ti) oder Platin (Pt) wird als Material für die Schottky-Metallschicht 106 verwendet.
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An
einem in 10 gezeigten Schritt wird im Anschluss
daran die Öffnung
OP12 ausgefüllt
und eine Anodenelektrode 104 über die gesamte Oberfläche, einschließlich einer
Region in welcher die Schottky-Metallschicht 106 ausgebildet
wurde, mittels der Aufdampfmethode aufgebracht.
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In
einem in 11 gezeigten Schritt wird dann
die Anodenelektrode 104 selektiv unter Verwendung der photolithographischen
Technik und der anisotropen Ätztechnik
in der Weise entfernt, dass die Anodenelektrode 104 nur
an der Öffnung OP12 und
dem Siliziumoxidfilm 107 nahe der Umgebung einer Kantenstelle
der Öffnung
OP12 verbleibt.
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Wie
in 12 gezeigt, wird schließlich eine Kathodenelektrode 105 auf
die n-Typ dotierte Schicht 103 beispielsweise mittels der
Aufdampfmethode aufgebracht. Damit ist die Siliziumdiode 100 fertiggestellt.
Aluminium (Al) oder ein derartiges Material wird als Material für die Anodenelektrode 104,
und eine Abscheide-Multi-Schicht
in einer Zusammensetzung aus Aluminium, Titan, Nickel und Gold oder
derartigen Materialien für
die Kathodenelektrode 105 verwendet.
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Jede
der ringförmigen
Schottky-Metallschichten 106 hat die Funktion, eine Durchbruchsspannung
von einigen hundert Volt in dem Siliziumsubstrat 101 aufrechtzuerhalten.
Wenn eine Mehrzahl von Schottky-Metallschichten 106 vorhanden
ist, wird deswegen ein höheres
Sperrvermögen
bei einer höheren
Spannung ermöglicht.
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Zusätzlich dazu
sind die Anodenelektroden 104 und die Schottky-Metallschicht 106 voneinander durch
einen Isolationsfilm, beispielsweise den Siliziumoxidfilm 107,
elektrisch isoliert, sodass ein Leckstrom zwischen einer Kathode
und einer Anode reduziert werden kann.
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Weiterhin
sind die Schottky-Metallschichten 106 voneinander durch
einen Isolationsfilm, beispielsweise den Siliziumoxidfilm 107,
elektrisch isoliert und eine Stirnseite der Verarmungsregion 108 ist mit
dem Isolationsfilm, beispielsweise dem Siliziumoxidfilm 107 bedeckt,
um nicht der Hauptoberfläche des
Siliziumsubstrates 101 ausgesetzt zu sein. Daraus folgt,
dass der Leckstrom zwischen der Kathode und der Anode reduziert
werden kann.
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Anstatt
den Siliziumoxidfilm 107 kann ein kalt isolierender Film,
beispielsweise als ein Siliciumnitritfilm (Si3N4) verwendet werden. Durch Verwenden des isolierenden
Films und des halb isolierenden Films kann das Siliziumsubstrat 101 von
externen Einflüssen
geschützt
werden.
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C Funktionsweise und Effekt
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Wie
oben beschrieben wurde, wird in dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement
die Verarmungsregion 108, die durch den Schottky-Kontakt der
Schottky-Metallschicht 106 gebildet
wird, und die wie ein Ring zum Umgeben des Operationsgebietes und
des Siliziumsubstrats 101 ausgeführt ist, für eine Übergangsbeendigungsprozessstruktur
verwendet.
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In Übereinstimmung
damit ist es nicht notwendig, einen besonderen pn-Übergang
in der Oberfläche
des Halbleitersubstrates auszubilden, im Unterschied zu dem Fall,
in welchem ein feldbegrenzender Ring als die Übergangsbeendigungsprozeßstruktur
verwendet wird. Dadurch kann ein Herstellungsverfahren vereinfacht
und die Herstellungskosten reduziert werden.
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Im
Unterschied zu dem Fall, in welchem ein SIPOS Film als die Übergangsbeendigungsprozeßstruktur
verwendet wird, wird darüber
hinaus eine Komponente, die eine große Temperaturabhängigkeit
aufweist, nicht verwendet. Deswegen kann, selbst dann wenn eine
Temperaturerhöhung
erzeugt wird, ein Betrieb davor bewahrt werden, unkontrollierbar
zu werden. Somit wird ein Halbleiterelement bereitgestellt, das
eine hohe Verlässlichkeit
aufweist.
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D. Variante
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Während die
Siliziumdiode 100, die auf dem Siliziumsubstrat 101 ausgebildet
wurde, in Übereinstimmung
mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
dargestellt wurde, kann eine Diode unter Verwendung eines Siliziumscarbidsubstrates
anstelle des Siliziumsubstrates 101 hergestellt werden.
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Um
ein Spannungssperrvermögen
mit der Siliziumcarbiddiode zu erreichen, wird der feldbegrenzende
Ring für
die Übergangs-
und Beendigungsprozessstruktur wie bereits beschrieben verwendet.
Um den feldbegrenzenden Ring auf dem Siliziumcarbidsubstrat zu erzeugen,
werden auch hier Ionen in das Siliziumcarbidsubstrat implantiert,
das im Unterschied zum Siliziumsubstrat in einem hohen Temperaturzustand
gehalten wird, und Aktivierung und thermische Diffusion werden bei
Temperaturen von 1000 und mehreren 100 Grad ausgeführt. Wenn die
erfin dungsgemäße Struktur
aufgetragen wird, wird die Schottky Metallschicht wie ein Ring über die Hauptoberfläche des
Siliziumcarbidsubstrates bereitgestellt. Damit kann die Herstellungsmethode
vereinfacht werden, und eine Siliziumcarbiddiode, die ein Hochspannungssperrvermögen aufweist,
wird in einer einfachen Weise zur Verfügung gestellt.
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Während die
Diode als ein Beispiel für
ein Halbleiterelement in der oberen Beschreibung verwendet wurde,
ist die hier dargestellte Erfindung nicht auf die Diode beschränkt, sondern
kann für
alle Halbleiterelemente, beispielsweise einen MOS-Transistor oder
einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) verwendet werden.
Kurz gesagt, in dem Fall, in welchem eine Basisschicht eine Emitterschicht,
eine Kollektorschicht und eine Quelle-Senke-Schicht oder derartiges
in einer Hauptoberfläche
einer zugrundeliegenden Halbleiterschicht ausgebildet wird, wird eine
Verarmungsschicht, die von einem Hauptübergang gebildet wird, zur äußeren peripheren
Seite ausgedehnt, ein maximales elektrisches Feld eines gekrümmten Teils
des Hauptübergangs
kann unterdrückt
werden und eine Durchbruchsspannung kann gesteigert werden, wenn
eine ringförmige
Schottky-Metallschicht
auf der Hauptoberfläche
der zugrundeliegenden Halbleiterschicht um ein Gebiet herum angeordnet
ist, in welchem die Schichten ausgebildet sind.
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Obwohl
die Erfindung in Einzelheiten dargestellt und beschrieben wurde,
ist die hier dargestellte Beschreibung in allen Aspekten illustrativ
und nicht beschränkend.
Es ist verständlich,
dass verschiedene Modifizierungen und Variationen ausgeführt werden
können,
ohne vom Blickwinkel der Erfindung hinwegzuführen.