DE10240107A1

DE10240107A1 - Randabschluss für Leistungshalbleiterbauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und mit dem Verfahren hergestellte Diode

Info

Publication number: DE10240107A1
Application number: DE2002140107
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. Mauder; Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Elmar Dr. Falck
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: DE10240107B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Randabschluss für ein Leistungshalbleiterbauelement, bei dem sich eine "zuckerhutförmige" Zone des gleichen Leitungstyps wie eine in einen Oberflächenbereich (31) eines Halbleiterkörpers (21) eingebrachte Zone (23) vom Rand dieser Zone (23) bis etwa in die Mitte des Halbleiterkörpers (21) erstreckt. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Randabschlusses oder allgemein einer n-leitenden Zone (9, 10) in einem Halbleiterkörper durch Protonenbestrahlung und anschließende Temperaturbehandlung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Randabschluss für ein beidseitig sperrendes Leistungshalbleiterbauelement, mit einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, der zwei zueinander entgegengesetzte Hauptoberflächen hat, einem im Bereich der ersten Hauptoberfläche in den Halbleiterkörper eingebetteten ersten Gebiet des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, einem im ersten Gebiet vorgesehenen zweiten Gebiet des einen Leitungstyps, einem im Bereich der zweiten Hauptoberfläche vorgesehenen Gebiet des anderen Leitungstyps und wenigstens einer ersten Elektrode auf der ersten Hauptoberfläche sowie einer zweiten Elektrode auf der zweiten Hauptoberfläche. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen Randabschluss für ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, der zwei zueinander entgegengesetzte Hauptoberflächen hat, einem im Bereich der einen Hauptoberfläche in den Halbleiterkörper eingebetteten Gebiet des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps und wenigstens einer Elektrode, auf der einen Hauptoberfläche sowie einer weiteren Elektrode auf der anderen Hauptoberfläche. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer n-leitenden Zone, vorzugsweise eines Randabschlusses der vorstehend genannten Art, in einem p-leitenden Halbleiterkörper. Diese Zone braucht aber nicht notwendigerweise einen Randabschluss zu bilden. Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung noch auf eine Diode, die einen p-leitenden Halbleiterkörper aufweist und nach dem oben genannten Verfahren hergestellt ist und gegebenenfalls einen Randabschluss der eingangs erwähnten Art aufweist.
Der Randabschluss von Leistungshalbleiterbauelementen ist für deren Spannungsfestigkeit von entscheidender Bedeutung: Er ist so zu gestalten, dass die Bereiche höchster elektrischer Feldstärke möglichst in den Zellenbereich des Leistungshalbleiterbauelementes verlagert sind, so dass ein elektrischer Durchbruch dort und nicht im Randbereich des Leistungshalbleiterbauelementes auftritt.
Grundsätzlich kann ein Randabschluss entweder durch mechanische Bearbeitungsmethoden, wie beispielsweise negative und/oder positive Winkel der Oberfläche des Leistungshalbleiterbauelementes im Randbereich, oder aber über das laterale und vertikale Design von Dotierungsprofilen im Randbereich gebildet werden.
Bei Dotierungsprofilen im Randabschluss von planaren, bipolar sperrenden Leistungshalbleiterbauelementen werden bevorzugt sogenannte Trenndiffusionen ausgeführt, welche beispielsweise einen p-dotierten anodenseitigen Emitter mit dem Randbereich der Kathodenseite elektrisch verbindet, wobei sich an diesen Bereich der Trenndiffusion kathodenseitig ein Randabschluss, beispielsweise Feldringe oder eine sogenannte "ausgedehnte Basis" ("extended base") für die Rückwärtssperrfähigkeit anschließen.
In 8 ist ein derartiger herkömmlicher Randabschluss (vgl. DE 198 43 537 A1 ) für einen Thyristor dargestellt. Der in 8 gezeigte Thyristor ist bidirektional gleichermaßen sperrfähig und unidirektional leitfähig. Der Thyristor besteht dabei aus einer n-dotierten Basiszone 1', einem pdotierten Gebiet 2 an einer Oberseite und einem p⁺-dotierten Gebiet 3 an einer Unterseite. Im oberen p-dotierten Gebiet 2 sind wiederum n-dotierte Gebiete 4 enthalten. Auf der Oberseite befindet sich eine Metallisierungsschicht 5, die eine elektrische Verbindung zwischen den n-dotierten Emittergebie ten 4 und den p-dotierten Basisgebieten 2 bewirkt, so dass insgesamt eine Kathode 6 gebildet wird. Die nötige Gatestruktur des Thyristors ist in 8 nicht dargestellt.
Ebenfalls auf der Oberseite befindet sich ein zweites p-dotiertes Gebiet 11, das mit der Basiszone 1' und dem ersten p-dotierten Gebiet 2 auf der Oberseite einen lateralen Bipolartransistor bildet. Auf der Unterseite sind eine weitere Metallisierungsschicht 7, die einen Anodenanschluss 8 des Leistungshalbleiterbauelementes darstellt, und das p⁺-dotierte Gebiet 3 vorgesehen.
Außerdem liegt ein weiteres p-dotiertes Gebiet 15 an der linken und rechten Seite der Struktur in der Weise, dass eine Verbindung zwischen dem zweiten p-dotierten Gebiet 11 an der Oberseite und dem p-dotierten Gebiet 3 an der Rückseite hergestellt wird. Dadurch wird im Rückwärtssperrfall die Raumladungszone bis an die Oberseite gedrängt, und ein frühzeitiger Durchbruch bzw. ein erhöhter Sperrstrom an den Flanken der Struktur, also an der Trenn- oder Sägekante, wird verhindert.
Durch die Verbindung zwischen dem zweiten p-dotierten Gebiet 11 an der Oberseite und dem p-dotierten Gebiet 3 auf der Ünterseite wird das Anodenpotential direkt an das zweite Gebiet 11 an der Oberseite und damit an den lateralen Bipolartransistor aus dem Gebiet 11, der Basiszone 1' und dem Gebiet 2 angelegt.
Beim Einsetzen eines Punch-Through- oder Avalanche-Durchbruchs wächst der Strom durch den lateralen Bipolartransistor stark an und fließt über das p-dotierte Gebiet 2 zur Kathode ab. Ein interner npn-Transistor aus dem n-dotierten Emittergebiet 4, dem p-dotierten Gebiet 2 und der n-dotierten Basiszone 1' steuert auf, wenn der laterale Spannungsabfall unter dem Emittergebiet 4 größer als die Flussspannung der Basis- Emitter-Diode aus dem Gebiet 2 und dem Gebiet 4 ist, was zum Zünden der Vierschichtstruktur aus dem Emittergebiet 4, dem p-dotierten Gebiet 2, der Basiszone 1' und dem p-dotierten Gebiet 3 führt. Die Kippspannung des Thyristors kann somit von sehr kleinen Spannungen bis zur Durchbruchspannung oder Nullkippspannung der vertikalen Vierschichtstruktur frei gewählt werden.
Die Ausbildung des weiteren p-dotierten Gebietes 15, die so genannte Trenndiffusion, wird im Allgemeinen von beiden Seiten des Halbleiterkörpers bzw. der Siliziumscheibe aus durchgeführt, da eine einseitige Durchdiffusion durch den Halbleiterkörper bzw. die Siliziumscheibe mit einem erheblichen Mehraufwand an Diffusionszeit verbunden ist. Dieser Mehraufwand liegt sogar in der Größenordnung eines Faktors "4".
Das beidseitige Einbringen der Trenndiffusion erfordert jedoch ebenfalls einen gewissen Aufwand, zumal die beiden Diffusionsgebiete zueinander ausgerichtet sein sollen.
Bei der Implantation von Protonen werden bekanntlich im Siliziumgitter eines Halbleiterkörpers Störungen hervorgerufen, die unter bestimmten Ausheilbedingungen (typisch 200...550°C) zur Bildung von Donatoren führen. Einzelheiten dieser Vorgänge sind beispielsweise in der Dissertation von Wolfgang Wondrak "Erzeugung von Strahlenschäden in Silizium durch hochenergetische Elektronen und Protonen" der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität zu Frankfurt am Main, 1985, und für Wasserstoffeindiffusion in E.P. Neustroev, I.V. Autonova, V.P. Popov, D.V. Kilanov, A. Misiuk: Enhanced Formation of Thermal Donors in Oxygen Implanted Silicon Annealed at Different Pressures", Paper Reference: F-I/P15, beschrieben.
Durch eine Protonenbestrahlung lassen sich ohne Einsatz eines Hochtemperaturprozesses über 600°C bei Dosen, die über 10¹¹ Protonen cm^–2 liegen, Donatoren erzeugen. Durch Veränderung der Dosis kann dabei ohne weiteres die Stärke der Dotierung festgelegt werden, während mittels Einstellung der Energie der Protonen die Tiefe der Dotierung festgelegt werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Randabschluss für ein beidseitig sperrendes Leistungshalbleiterbauelement zu schaffen, der sich durch eine hohe Spannungsfestigkeit auszeichnet, einfach herstellbar ist und keine mechanischen Bearbeitungsmethoden erfordert; außerdem sollen ein Verfahren zum Herstellen einer gegebenenfalls einen derartigen Randabschluss bildenden Zone in einem Halbleiterkörper sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Diode angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Randabschluss der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich vom Rand des dritten und/oder des ersten Gebiets wenigstens eine erste Zone des anderen Leitungstyps in den Halbleiterkörper erstreckt. Weiterhin wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Herstellen einer n-leitenden Zone dadurch gelöst, dass im Bereich der herzustellenden Zone in den p-leitenden Halbleiterkörper Wasserstoffionen (Protonen) durch ein- oder mehrstufige maskierte Bestrahlung bei der gleichen Energie oder unterschiedlichen Energien derart eingebracht werden, dass die p-Dotierung im Innern des Bereiches der herzustellenden Zone überkompensiert wird, so dass nach einer Temperaturbehandlung die n-leitende Zone gebildet wird. Diese Zone kann dabei in bevorzugter Weise einen Randabschluss darstellen. Schließlich wird die oben genannte Aufgabe für eine Diode mit einem p-leitenden Halbleiterkörper gelöst durch mindestens eine n-leitende Zone, die nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellt ist und dabei einen Randabschluss bilden kann, jedoch nicht bilden muss.
Es wird also zunächst vorgeschlagen, für einen Randabschluss bei einem Leistungshalbleiterbauelement die Rückwärtssperrfähigkeit dadurch zu gewährleisten, dass anstelle der im Allgemeinen beidseitig durchgeführten Trenndiffusion nur eine einseitige Diffusion vorzugsweise bis in etwa die Mitte bzw. Hälfte des Halbleiterkörpers durchgeführt wird, so dass eine im Querschnitt "zuckerhutförmige" Struktur entsteht, die sich vom Rand beispielsweise eines anodenseitigen p-dotierten Emittergebietes aus in die Tiefe erstreckt und sich in einem definierten Abstand vom Rand des Bauelements befindet. Bei runden Bauelementen ist diese Randabschluss-Struktur im Allgemeinen konzentrisch ausgebildet, während sie bei Chips deren Rechteckverlauf mit abgerundeten Ecken folgt.
Durch Simulationsrechnung kann gezeigt werden, dass sich auf diese Weise die maximal erreichbare Durchbruchspannung eines eindimensionalen pn-Überganges realisieren lässt. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass sich das Maximum der elektrischen Feldstärke weit unterhalb der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindet, so dass Oberflächenladungen auf diesem die Durchbruchspannung kaum beeinflussen.
Weitere Simulationsrechnungen zeigen, dass es für die angezielte Rückwärtssperrfähigkeit im Allgemeinen ausreichend ist, wenn die Eindringtiefe der Zone mit der "Zuckerhutstruktur" etwa 30 bis 40 % der Dicke des Halbleiterkörpers, also der Scheibendicke, beträgt, woraus sich eine erhebliche Ersparnis an Diffusionszeit gegenüber dem herkömmlichen Randabschluss der 8 ergibt. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, bei gleicher Diffusionszeit mit Hilfe der Erfindung erheblich höhere Spannungsklassen für das Leistungshalbleiterbauelement zu erreichen.
In vorteilhafter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Randabschluss für ein beidseitig sperrendes Leistungshalbleiterbau element auch der für die Vorwärtssperrfähigkeit zuständige pn-Übergang mit einer Zone mit "Zuckerhutstruktur" versehen. In diesem Fall liegt also ein Randabschluss vor, bei dem vom Rand des dritten Gebiets die erste Zone und vom Rand des ersten Gebiets eine zweite Zone sich in den Halbleiterkörper erstrecken, ohne einander zu berühren. Der Mindestabstand zwischen den beiden Zonen in lateraler Richtung wird dabei durch die Randbedingung festgelegt, dass der Verstärkungsfaktor für den aus diesen beiden Zonen und dem dazwischen liegenden Halbleiterkörper gebildeten Teiltransistors nicht zu groß werden darf, um die hiermit verbundene Reduktion der Sperrspannung bzw. Kippspannung zu vermeiden. Vorzugsweise sollte dieser laterale Abstand daher im Bereich von ein bis zwei Diffusionslängen der freien Ladungsträger liegen. Der erfindungsgemäße Randabschluss mit den tiefdiffundierten beiden Zonen ist auch bei Diodenstrukturen anwendbar, wobei in diesem Fall eine einzige diffundierte Zone ausreichend ist.
Als Dotierstoff für die Zonen kann neben Bor insbesondere auch Aluminium als p-dotierendes Material eingesetzt werden. Aluminium ist dabei wegen seiner hohen Diffusionskonstanten vorzuziehen. Vorteilhaft bei der Verwendung von Aluminium als p-dotierendes Material ist auch die durch dieses zu erreichende spezielle Form des Dotierungsprofils mit flachem Gradienten, welcher aus der sich während des Eintreibschrittes von Aluminium ergebenden Ausdiffusion resultiert. Für einen n-dotierten Randabschluss in einem p-dotierten Grundmaterial wird für die Erzeugung der Zonen mit Zuckerhutstruktur vorzugsweise Selen oder Schwefel verwendet. Es ist aber auch eine Dotierung mittels durch Protonenbestrahlung erzeugter Donatoren möglich.
Zur Optimierung des Flächenbedarfs ist es möglich, oberflächennahe Kanal-Stopper ("Channel-Stopper") einzusetzen. Eben so können tiefliegende, beispielsweise durch Protonenbestrahlung erzeugte Stoppzonen für das elektrische Feld zu einer Feinoptimierung beitragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wenig aufwändige Herstellung von speziell Dioden mit einem effektiven Randabschluss bei relativ niedrigen Temperaturen, wobei sich diese Dioden durch eine hohe Sperrfähigkeit und einen geringen Platzbedarf auszeichnen. Mit dem Verfahren können aber nicht nur Dioden hergestellt werden. Es ist vielmehr auch möglich, dieses Verfahren zur Bildung eines Randabschlusses einzusetzen, wie dieser oben erläutert wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise in einem relativ hochohmigen p-leitenden Halbleiterkörper eine n-leitende Zone mit Hilfe vorzugsweise einer Protonenbestrahlung eingebracht. Anstelle einer Protonenbestrahlung, also einer Bestrahlung mit Wasserstoffionen, kann gegebenenfalls auch eine Bestrahlung mit Heliumionen vorgenommen werden. Die für die Erzeugung von Donatoren nötigen Wasserstoffatome müssen dann durch Diffusion aus zum Beispiel einer Plasmaentladung bereitgestellt werden. Weiterhin ist es möglich, Wasserstoffionen (Protonen) und Heliumionen gemeinsam einzusetzen. Im Folgenden soll also unter einer "Protonenbestrahlung" gegebenenfalls auch eine Bestrahlung mit Heliumionen mit nachfolgender Eindiffusion von Wasserstoff verstanden werden. Generell ist jede Bestrahlung geeignet, die Defekte im Siliziumkristall erzeugt. Insbesondere zählt dazu auch eine Elektronenbestrahlung, die mit nachfolgender Wasserstoff-Plasmabehandlung bzw. -Diffusion dotierend wirkt.
Eine Protonenbestrahlung hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren den Zweck, den p-leitenden Halbleiterkörper, also das p-dotierte Grundmaterial, in dem Bereich der herzustellenden n-leitenden Zone, also bei einer Diode im Bereich der n- leitenden Basiszone, welche die Sperrspannung aufnehmen soll, überzukompensieren. Dies wird dadurch möglich, dass eine Protonenbestrahlung die Eigenschaft besitzt, in dem Bereich im Halbleiterkörper, in welchem die Protonen zum Stillstand kommen, also in dem so genannten "end-of-range", Donatoren zu erzeugen.
Je nachdem, bei welcher Temperatur ein dieser Protonenbestrahlung nachfolgender Temperaturschritt durchgeführt wird, kann die durch die Protonenbestrahlung erzeugte Donatorverteilung auch noch verbreitert werden, was allerdings nur in Richtung des durchstrahlten Bereiches gilt, da zur Donatorbildung ein Komplex aus Wasserstoffatomen und den bestrahlungsbedingten Defekten im Kristallgitter erforderlich ist.
Über diese, der Protonenbestrahlung nachfolgende Temperaturbehandlung, welche vorzugsweise im Bereich zwischen 400 und 500°C über eine Dauer von typischerweise 10 Minuten bis zu 4 Stunden vorgenommen wird, lässt sich auch die Verteilung der Ladungsträger-Lebensdauer in der n-leitenden Zone, bei einer Diode also in der n-leitenden Basiszone, steuern.
Abhängig vom Bedarf kann gegebenenfalls anstelle einer einstufigen Bestrahlung mit Protonen auch eine mehrstufige Bestrahlung vorgenommen werden, um die gewünschte Verbreiterung der Dotierung in vertikaler Richtung, also in Tiefenrichtung von der bestrahlten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus, zu erzielen.
Vorzugsweise sollte die Bestrahlung maskiert vorgenommen werden, um eine gewünschte laterale Verteilung bzw. Ausdehnung der n-leitenden Zone, zu schaffen. So kann durch diese Maskierung beispielsweise ein am Rand hochgezogenes p-leitendes Gebiet des Halbleiterkörpers, das als effektiver Randabschluss wirksam ist, erhalten bleiben.
Für die Temperaturbehandlung kann im Anschluss an eine Bestrahlung mit Wasserstoffionen oder beispielsweise Heliumionen auch eine Temperung in wasserstoffhaltiger Atmosphäre bzw. in einem Wasserstoffplasma erfolgen. Dies hat zur Folge, dass die benötigten Implantationsdosen reduziert werden können und somit die Dotierung insgesamt kostengünstiger wird.
Bei einer Diode kann ein p-leitender Emitter auch als schwacher Emitter ausgeführt werden, so dass er bei relativ geringen Temperaturen unter etwa 580°C herstellbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Emitter dann sowohl einen für eine niedrige Rückstromspitze erwünschten relativ geringen Emitterwirkungsgrad aufweist, als auch gleichzeitig einen ohmschen Kontakt bildet. Es liegt dann ein so genannter transparenter p-leitender Emitter vor.
Um in der n-leitenden Zone einen Emitter zu erzeugen, bietet sich auch hier ein transparenter n-leitender Emitter an, dessen Emitterwirkungsgrad über die Dosis von beispielsweise implantiertem Phosphor oder Selen gesteuert und ebenso bei Temperaturen unterhalb von 580°C aktiviert werden kann. Angaben zur geeigneten Dimensionierung der Emitter finden sich beispielsweise in DE 100 31 461 A1 . Damit ist es jedenfalls möglich, einen Rückstromverlauf abhängig von den Anforderungen an eine Diode mit beispielsweise niedrigen Schaltverlusten einzustellen.
Somit lassen sich also die Basis, beide Emitter der Diode und auch der Randabschluss, d. h. also die gesamte Diodenstruktur, bei Temperaturen erzeugen, die unterhalb 580°C liegen.
Ein Vorteil eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Leistungshalbleiterbauelementes liegt darin, dass ein p-leitender Emitter in direktem Kontakt mit der Rückseite des Bauelementes steht. Bei vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen erfolgt die Montage meist durch Auflöten auf einer auf gut leitendem Material, beispielsweise dickem Kupfer, basierenden Grundfläche. Durch die hohe Querleitfähigkeit dieses Materials kommt es dann zu einer sehr homogenen Stromverteilung im p-leitenden Emitter und damit zu einer höheren Tragfähigkeit für hohe Überstrom-Pulse.
Die Diode kann ohne weiteres bei relativ geringen Temperaturen mit einem Randabschluss mit "Zuckerhutstruktur" versehen werden, so dass ein sehr effektiver Randabschluss entsteht. Mit anderen Worten, die den Randabschluss bildende Zone wird durch eine maskierte Protonenbestrahlung von der Kathodenseite her erzeugt. Die Tiefe der "Zuckerhutstruktur" des Randabschlusses wird über die verwendete Bestrahlungsenergie eingestellt, während die Donatorkonzentration im Bereich des Randabschlusses durch die verwendete Dosis bei der Bestrahlung festgelegt wird. Eine gewünschte Verteilung in der Tiefe der "Zuckerhutstruktur" kann wiederum über einen geeigneten Temperaturschritt oder/und durch den Einsatz mehrerer Bestrahlungsenergien erreicht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Randabschluss nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem sich eine p-dotierte "zuckerhutförmige" Zone vom Rand eines p-dotierten Emitters aus in den Halbleiterkörper erstreckt,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Halbleiterkörper eines Thyristors mit jeweils einer p-dotierten "zuckerhutförmigen" Zone auf der Kathodenseite und der Anodenseite als Randabschluss zur Optimierung der Vorwärts- bzw. Rückwärtssperrfähigkeit,
3 schematisch die Feldverteilung in Vorwärtsrichtung eines Thyristors mit beidseitigen "zuckerhutförmigen" Zonen für den Randabschluss, wobei der Abstand zwischen den beiden Zonen in lateraler Richtung etwa zwei Diffusionslängen beträgt,
4 den Verlauf der Durchbruchspannung in V in Abhängigkeit von der Dosis bezogen auf die vertikale Richtung in einer p-dotierten "zuckerhutförmigen" Zone einer pn-Diode, wobei die Tiefe eines p-dotierten Gebietes 60 μm, die Tiefe der "zuckerhutförmigen" Zone etwa 250 μm und die Dicke der Diode etwa 500 μm betragen,
5 schematisch die Potentialverteilung im Randbereich einer Diode mit einer p-dotierten "zuckerhutförmigen" Zone einer Dosis von etwa 3,7 × 10¹² Fremdatome cm² bezogen auf die vertikale Richtung,
6 einen schematischen Schnitt durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Diode,
7 einen schematischen Schnitt durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Diode mit einem Randabschluss entsprechend den 1 bis 5, und
8 eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Trenndiffusion zur Verlagerung des Randabschlusses für die Rückwärtssperrfähigkeit einer Thy ristorstruktur von der Anodenseite auf die Kathodenseite.
8 ist bereits eingangs erläutert worden.
In den Figuren werden für einander entsprechende Teile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei in den 1 bis 3 für gleiche Teile wie in 8 um einen Summanden "20" erhöhte Bezugszahlen bis auf die Kathodenelektrode 6 und die Anodenelektrode 8 vorgesehen sind.
1 zeigt einen Randabschluss mit einem n^--leitenden Halbleiterkörper 21, der eine erste Hauptoberfläche 30 und eine gegenüberliegende, zweite Hauptoberfläche 31 besitzt. Im Bereich der ersten Hauptoberfläche 30 befinden sich ein p-dotiertes Gebiet 22, in das ein n-dotiertes Gebiet 24 eingebracht ist. Das Gebiet 24 ist zusammen mit dem Gebiet 22 mit einer Kathodenelektrode 6 kontaktiert. Der notwendige Gatekontakt eines Thyristors ist hier nicht abgebildet.
Im Bereich der anderen Hauptoberfläche 31 ist ein p-dotiertes Gebiet 23 in den n^--dotierten Halbleiterkörper 21 eingebracht. Das Gebiet 23 ist mit einer Anodenelektrode 8 kontaktiert.
Erfindungsgemäß erstreckt sich von dem Gebiet 23 eine p-dotierte "zuckerhutförmige" Zone 17 in den Halbleiterkörper 21, bis etwa zu dessen Mitte. Eine Eindringtiefe von 30 bis 40 der Scheibendicke des Halbleiterkörpers 21 wäre aber für die Zone 17 ebenfalls bereits ausreichend. Die Basisbreite dieser Zone 17 beträgt an der Oberfläche 31 abhängig von der Spannungsklasse des herzustellenden Bauelements zwischen 20 und 300 μm.
Im Bereich der Oberfläche 30 des Halbleiterkörpers 21 kann gegebenenfalls noch ein "Channel-Stopper" 32 vorgesehen sein, der beispielsweise n-dotiert ist. Ebenso kann im Halbleiterkörper 21 auch eine tiefliegende, beispielsweise durch Protonenbestrahlung erzeugte Stoppzone 33 vorliegen, welche für eine Begrenzung des elektrischen Feldes in Tiefenrichtung sorgt. Der Channel-Stopper 32 ist für eine Optimierung des Flächenbedarfes vorteilhaft, während die Stoppzone 33 zu einer Feinoptimierung der Verteilung des elektrischen Feldes sowie des Schaltverhaltens beiträgt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Randabschlusses am Beispiel eines Thyristors, wobei hier beidseitig jeweils eine p-dotierte "zuckerhutförmige" Zone 18 bzw. 19 in den n^--leitenden Halbleiterkörper 21 hineinragen. Der laterale Abstand d zwischen diesen beiden Zonen 18, 19 beträgt vorzugsweise eine bis zwei Diffusionslängen L der freien Ladungsträger. Er kann auch das Dreifache hiervon sein. Durch eine solche Gestaltung des Randabschlusses werden die Vorwärtssperrfähigkeit und die Rückwärtssperrfähigkeit des Thyristors optimiert.
3 zeigt die Feldverteilung in einem Thyristor der in 2 dargestellten Art bei einer Vorwärtsspannung von 2,6 kV mit der erfindungsgemäßen Randstruktur. Die höchste Feldstärke tritt hier in einem Bereich 25 auf, während Bereiche 26 und 27 bzw. Bereiche 28 und 29 jeweils für schwächer werdende Feldstärken stehen. Dies bedeutet, dass bei dem erfindungsgemäßen Randabschluss die Bereiche hoher Feldstärke deutlich im Innern des Halbleiterkörpers liegen und somit durch Oberflächenladungen nicht beeinflusst werden.
Mit dem in den 2 und 3 gezeigten Randabschluss lässt sich bei einem Thyristor die Kippspannung auf etwa 80 % der Volumendurchbruchspannung einstellen.
4 veranschaulicht die Abhängigkeit der Durchbruchspannung in V von der Dosis in Fremdatomen cm^- ² in der "Zuckerhutstruktur" bezogen auf die vertikale Richtung für eine 3 kV-Diode. Die Tiefe des Gebietes 22 bei dieser Diode beträgt etwa 60 μm, während die Zone 19 hier eine Eindringtiefe von etwa 250 μm hat und der Halbleiterkörper 21 selbst eine Dicke von etwa 500 μm aufweist. Eine solche Diode entspricht der Darstellung von 2, wenn in dieser das n-dotierte Gebiet 24 und die p-dotierte Zone 18 weggelassen werden (das Gebiet 24 wird von dem Gebiet 22 eingenommen, und die Zone 18 entfällt in dem Halbleiterkörper 21) und das Gebiet 23 durchgängig gestaltet und n⁺- statt p-dotiert ist.
5 zeigt die Potentialverteilung der Diode mit der in 4 dargestellten Durchbruchspannung bei einer Dosis von 3,7 × 10¹² Fremdatomen cm^- ². Deutlich ist aus 5 zu sehen, dass Verzerrungen der Äquipotentiallinien, die zu einer Feldstärkeüberhöhung führen, weitgehend vermieden sind.
Die 6 und 7 zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Dioden, bei denen eine n-leitende Zone 9 in einem p-leitenden Halbleiterkörper 1 (6) bzw. eine n-leitende Randzone 10 mit "Zuckerhutstruktur" in einem p-leitenden Halbleiterkörper 1 (7) durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt sind. Bei diesem Verfahren werden Protonen, also Wasserstoffionen, von der Kathodenseite aus maskiert auf den Halbleiterkörper 1 eingestrahlt. Bei dieser Einstrahlung kommen die Protonen in dem Bereich zum Stillstand, in welchem die Zone 9 in 6 bzw. die Zone 10 in 7 erzeugt werden sollen.
An diese Protoneneinstrahlung schließt sich eine Temperaturbehandlung beispielsweise zwischen 400 und 500°C an, so dass die in den 6 bzw. 7 gezeigte Verteilung der Donatoren in der Zone 9 bzw. in der Zone 10 vorliegt.
Dabei kann bei Bedarf auch eine mehrstufige Bestrahlung vorgenommen werden, um die gewünschte Verbreiterung in vertikaler Richtung, also eine ausreichende Tiefe ausgehend von der Kathodenelektrode 6, zu erreichen.
Anstelle der bzw. zusätzlich zur Temperaturbehandlung zwischen 400 und 500°C kann gegebenenfalls auch eine Temperung in wasserstoffhaltiger Atmosphäre bzw. in einem Wasserstoffplasma vorgenommen werden.
In der Diode der 6 ist die Zone 9 durch die maskierte Bestrahlung mit Protonen so ausgebildet, dass ein hochgezogenes p-leitendes Gebiet im Halbleiterkörper 1 an dessen Rand stehen bleibt, so dass hier ein effektiver Randabschluss durch dieses Gebiet gebildet wird. Bei der Diode der 7 wird dagegen durch die Zone 10 ein zuckerhutförmiger Randabschluss geliefert, wie dieser oben anhand der 1 bis 5 ausführlich beschrieben wurde. Für die Tiefe dieser Zuckerhutstruktur gelten auch für die Diode der 7 die oben hierzu gemachten Aussagen.
Die Dioden der 6 und 7 haben noch eine "transparente" vorzugsweise höher dotierte n-leitende Kathoden-Emitterzone 12, die beispielsweise durch Implantation von Phosphor oder Selen gebildet ist, und eine vorzugsweise höher dotierte p-dotierte Anoden-Emitterzone 13, die beispielsweise mit Bor dotiert sein kann. Die Emitterzone 13 kann dabei als schwacher Emitter ausgeführt und somit auch bei relativ niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass diese Emitterzone 13 sowohl einen für eine niedrige Rückstromspitze erwünschten relativ geringen Emitterwirkungsgrad aufweist, als auch einen ohmschen Kontakt zur Anodenelektrode 8 herstellt.
Außerdem kann auf diese Weise eine Diode ohne Hochtemperaturprozesse hergestellt werden. Die maximale Temperatur, die bei der Herstellung der Diode zur Anwendung kommt, kann kleiner als die eutektische Temperatur von Al (als Kontaktmaterial) und Si als Halbleiterkörper, also kleiner als 580°C gehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass die Metallisierung der Diode schon sehr früh im Prozess aufgebracht werden kann und somit mehr Flexibilität für den Prozess besteht. Der n- und/oder der p-Emitter können auch stärker dotiert und eindiffundiert werden, wobei dann allerdings höhere Prozesstemperaturen (z. B. 750...1200°C) zum Einsatz kommen, so dass die Herstellung der n-dotierten Gebiete durch Protonenbestrahlung erst nach diesen Hochtemperaturprozessen erfolgen kann, da ansonsten Protonen-induzierte Donatoren durch die Temperung verschwinden würden. Weiters ist das Aufbringen einer Metallisierung auch erst nach solchen Hochtemperaturprozessen möglich.
Die p⁺-dotierte Emitterzone 13 steht in direktem Kontakt mit der Rückseite der Diode, so dass diese ohne weiteres durch Auflöten auf beispielsweise einer auf dickem Kupfer basierenden Grundfläche montiert werden kann.

1, 1': Halbleiterkörper
2: p-dotiertes Gebiet
3: p⁺-dotiertes Gebiet
4: n-dotiertes Emittergebiet
5: Metallisierungsschicht
6: Kathodenelektrode
7: Metallisierungsschicht
8: Anodenelektrode
9: n-leitende Zone
10: n-leitende Zone
11: p-dotiertes Gebiet
12: Emitterzone
13: Emitterzone
15: weiteres p-dotiertes Gebiet
17: p-dotierte Zone
18: p-dotierte Zone
19: p-dotierte Zone
21: n^--dotierter Halbleiterkörper
22: p-dotiertes Wannengebiet
23: p-dotiertes Gebiet
24: n-dotiertes Gebiet
25: Bereich sehr hoher Feldstärke
26, 27: Bereich hoher Feldstärke
28, 29: Bereich etwas geringerer Feldstärke
30: erste Hauptoberfläche
31: zweite Hauptoberfläche
32: Channel-Stopper
33: Stoppschicht

Claims

Randabschluss für ein beidseitig sperrendes Leistungshalbleiterbauelement, mit – einem Halbleiterkörper (21) des einen Leitungstyps, der zwei zueinander entgegengesetzte Hauptoberflächen (30, 31) hat, – einem in im Bereich der ersten Hauptoberfläche (30) in den Halbleiterkörper (21) eingebetteten ersten Gebiet (22) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, – mindestens einem im ersten Gebiet (22) vorgesehenen zweiten Gebiet (24) des einen Leitungstyps, – einem im Bereich der zweiten Hauptoberfläche (31) vorgesehen Gebiet (23) des anderen Leitungstyps und – wenigstens einer ersten Elektrode (6) auf der ersten Hauptoberfläche sowie einer zweiten Elektrode (8) auf der zweiten Hauptoberfläche (31), dadurch gekennzeichnet, dass – sich vom Rand des dritten und/oder des ersten Gebiets (23, 22) wenigstens eine erste Zone (17) des anderen Leitungstyps in den Halbleiterkörper (21) erstreckt.
Randabschluss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich vom Rand des dritten Gebiets (23) die erste Zone (18) und vom Rand des ersten Gebiets (22) eine zweite Zone (19) in den Halbleiterkörper (1) erstrecken, ohne einander zu berühren.
Randabschluss nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zone (18) und die zweite Zone (19) um einen Abstand (d) zueinander versetzt sind.
Randabschluss nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) das ein- bis dreifache der Diffusionslänge (L) der freien Ladungsträger beträgt.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der ersten bzw. zweiten Zone (18, 19) etwa 30 bis 40 % der Dicke des Halbleiterkörpers (1) beträgt.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bzw. zweite Zone (18, 19) mit Bor, Gallium, Aluminium, Selen oder Schwefel dotiert oder mit durch Protonenbestrahlung erzeugten Donatoren versehen ist.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Channel-Stopper (32) im Bereich der ersten und/oder zweiten Hauptoberfläche (30, 31).
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Feldstoppschicht (33) im Inneren des Halbleiterkörpers (21).
Randabschluss für ein Leistungshalbleiterbauelement, mit – einem Halbleiterkörper (21) des einen Leitungstyps, der zwei zueinander entgegengesetzte Hauptoberflächen (30, 31) hat, – einem in im Bereich der einen Hauptoberfläche (31) in den Halbleiterkörper (21) eingebetteten Gebiet (23) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, und – wenigstens eine Elektrode (8) auf der einen Hauptoberfläche sowie einer weiteren Elektrode (6) auf der anderen Hauptoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass – sich vom Rand des Gebiets (23) wenigstens eine Zone (17) des anderen Leitungstyps mit einer Eindringtiefe von etwa 30 – 40 % der Dicke des Halbleiterkörpers (21) in diesen erstreckt.
Randabschluss nach einem der Ansprüche 1 bis 9, _ dadurch gekennzeichnet, dass die Zone (17) bzw. die erste und/oder die zweite Zone (18, 19) im Querschnitt eine Zuckerhutstruktur haben.
Randabschluss nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisbreite der Zuckerhutstruktur abhängig von der Spannungsklasse des Bauelements 20...300 μm beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer n-leitenden Zone (9, 10), vorzugsweise eines Randabschlusses nach einem der Ansprüche 1 bis 11, in einem p-leitenden Halbleiterkörper (1), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der herzustellenden Zone (9, 10) in den p- leitenden Halbleiterkörper (1) Wasserstoffionen durch ein- oder mehrstufige Bestrahlung mit gleichen oder unterschiedlichen Energien derart eingebracht werden, dass die p-Dotierung im Inneren des Bereiches der herzustellenden Zone (9, 10) überkompensiert wird, so dass nach einer Temperaturbehandlung die n-leitende Zone (9, 10) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, die Temperaturbehandlung bei etwa 400°C bis 500°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung als Temperung in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere einem Wasserstoffplasma, nach vorheriger Defekterzeugung im Siliziumkristall des Halbleiterkörpers (21) durch mindestens eine Bestrahlung mit Protonen, Heliumionen, Elektronen oder anderen nicht oder nur schwach dotierend wirkenden Elementen vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung einer Diode mit einem Halbleiterkörper aus Silizium und einer Metallisierung aus Aluminium die eutektische Temperatur von Silizium und Aluminium, nämlich 580°C, nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung mindestens eines Emitters, also Anode und/oder Kathode, eine Temperatur, die höher als etwa 750°C ist, angewendet wird.
Diode mit einem p-leitenden Halbleiterkörper (1), gekennzeichnet durch mindestens eine n-leitende Zone (9, 10), die nach dem Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 12 bis 16 hergestellt ist.
Diode nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen Randabschluss nach einem der Patentansprüche 1 bis 11.