DE10303942B4

DE10303942B4 - Herstellungsverfahren für eine PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung, und eine PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung

Info

Publication number: DE10303942B4
Application number: DE10303942A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Ishizawa; Yoshifumi Tomomatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2023-02-01
Also published as: CH696374A5; US6709914B2; JP2003224134A; JP4146645B2; DE10303942A1; US20030141513A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer PN-Sperrschicht-Diode (100, 110, 120, 130), das folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Halbleiterwafers (1) mit einer darauf ausgebildeten N–-Kathodenschicht (2);
Ausbilden einer Anodenschicht (3) der P-Art auf der Kathodenschicht (2) der N-Art, so dass sich eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche (4) zwischen der Kathodenschicht (2) der N-Art und der Anodenschicht (3) der P-Art bildet;
Ausbilden einer Kathoden- und Anodenelektrode (5, 6) auf dem Halbleiterwafer (1) bzw. der Anodenschicht (3) der P-Art;
gleichzeitiges Implantieren erster und zweiter Ionen mit sich voneinander unterscheidenden durchschnittlichen Vordringbereichen Rp bis zur Kathodenschicht (2), so dass sich abwechselnd einer oder mehrere erste und zweite implantierte Bereiche ausbilden und Seite an Seite überlappen, und dadurch ein Gitterstörstellenbereich (7) mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke unterhalb der und angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche (4) entsteht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1) Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung und deren Herstellungsverfahren, und insbesondere auf eine PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung mit weniger Abweichung der Vorwärtsspannungen zwischen den Vorrichtungen, und deren Herstellungsverfahren.
2) Beschreibung des verwandten Stands der Technik
9 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen mit der Bezugszahl 200 bezeichneten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung, die als Schaltvorrichtung sowie als Transistor verwendet werden kann. Wie in 9 dargestellt ist, besitzt die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 200 eine geschichtete Struktur, die im allgemeinen eine N+-Kathodenschicht 1, eine N–-Kathodenschicht 2 und eine P–-Anodenschicht 3 umfasst. Eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4 ist an der Grenzfläche zwischen der N–-Kathodenschicht 2 und der P–-Anodenschicht 3 ausgebildet. Jede der vorgenannten Schichten besteht aus einem Material, das Silizium enthält.
Eine Anodenelektrode 5 ist auf die Oberfläche der P–-Anodenschicht 3 aufgebracht, während eine Kathodenelektrode 6 auf der Grundfläche der N+-Kathodenschicht 1 ausgebildet ist. Jede der Elektroden besteht aus einem Material wie Aluminium.
Die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 200 weist in der N–-Kathodenschicht 2 einen Gitterstörstellenbereich 17 auf, der unterhalb der und angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4 ausgebildet ist. In dem Gitterstörstellenbereich sind mehrere Störstellengitter entsprechend einer normalen Verteilung mit einer Halbwertbreite T verteilt. Der Gitterstörstellenbereich 17 wird ausgebildet, indem Ionen wie ein Proton- oder Heliumion nach Ausbildung der Schichten 1 bis 6 implantiert und danach geglüht werden. Im allgemeinen wird dieser Implantationsschritt durch einen Absorber 8 ausgeführt, der aus Aluminium besteht. Während des Glühschritts werden die meisten der implantierten Ionen aus der N–-Kathodenschicht 2 evakuiert, wodurch der Gitterstörstellenbereich 17 zurückbleibt. Die Halbwertbreite T kann beispielsweise in der Tiefenrichtung um ca. 10 Mikron verteilt sein.
10 ist eine graphische Darstellung, die Trägerkonzentrationen und eine Gitterstörstellenkonzentration darstellt, die von der vertikalen Entfernung (Tiefe) von der Oberfläche der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 200 abhängen. Somit befinden sich die Anoden- und Kathodenelektroden 5 bzw. 6 in 10 jeweils auf der linken bzw. rechten Seite. Die Bezeichnungen „P", „N" und „q" in 10 geben auch die Verteilungen der Störstellenkonzentrationen der P- und N-Art bzw. die Gitterstörstellenkonzentration an. Die römischen Zahlen I, II und III bezeichnen jeweils Bereiche der P–-Anodenschicht 3, der N–-Kathodenschicht 2 bzw. der N+-Kathodenschicht 1.
In 10 ist der Gitterstörstellenbereich 17 angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche und innerhalb der N–-Kathodenschicht (II) ausgebildet und weist die Halbwertbreite T auf.
Der Gitterstörstellenbereich 17 erfüllt die Aufgabe eines sogenannten „life-time killers" (auf deutsch in etwa „Lebensdauervernichters"), und erfasst und löscht somit die Minoritätsträger, d.h. Löcher, die aus der P-Anodenschicht 3 in die N–-Kathodenschicht 2 injiziert wurden. Zu diesem Zweck kann die PN-Sperrschicht-Dioden vorrichtung 200 von einer negativen Stoßspannung geschützt werden, und es kann ein Schnellschalten realisiert werden.
Jede der herkömmlichen PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 200 wird dadurch hergestellt, dass mehrere Vorrichtungen, die auf dem Halbleiterwafer ausgebildet sind, mit einem Durchmesser von 5 Inch ausgebildet werden und der Wafer dann in einzelne PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen zerschnitten wird. Nachteiliger Weise besteht eine wesentliche Abweichung der Vorwärtsspannungen (V_F) zwischen den selbst auf ein und demselben Wafer ausgebildeten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 200.
Ferner ist aus der US 6,261,874 B1 ein Verfahren zur Herstellung einer Diode bekannt, bei dem mittels einer Elektronenbestrahlung ein Störstellenbereich in einem Halbleitersubstrat erzeugt wird.
Die vorliegenden Erfinder haben sich mit der Untersuchung der Abweichung der Vorwärtsspannungen beschäftigt und herausgefunden, dass diese von der Abweichung der Gitterstörstellenkonzentration im Gitterstörstellenbereich 17 verursacht wird. Die vorliegenden Erfinder haben auch entdeckt, dass die Abweichung der Gitterstörstellenkonzentration dadurch verringert werden kann, dass die Halbwertbreite vergrößert und die Spitzenkonzentration verringert wird, wobei die Gesamtanzahl der Störstellengitter im Gitterstörstellenbereich 17 unverändert aufrechterhalten bleibt.
Um die Halbwertbreite des Gitterstörstellenbereichs 17 zu vergrößern, ist es im allgemeinen jedoch notwendig, die Ionenimplantationsschritte mit Implantationsenergien zu wiederholen, die sich voneinander unterscheiden, um individuelle Vorsprungsbereiche zu erzielen. Solch mehrfache Ionenimplantationsschritte machen das Herstellungsverfahren langwierig und kompliziert, wodurch die Herstellungskosten steigen.
Deshalb hat es einer der Aspekte der vorliegenden Erfindung zur Aufgabe, das Herstellungsverfahren der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung vorzusehen, wobei der Gitterstörstellenbereich die größere Halbwertbreite ohne zusätzliche Implantationsschritte aufweist, und die so hergestellte PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der weitere mögliche Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung deutlich. Dennoch sollte sie so verstanden werden, dass die ausführliche Beschreibung und die speziellen Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Darstellungszwecken wiedergegeben sind, da dem Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifizierungen klar sein werden, die im Geiste und Rahmen der Erfindung liegen.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer PN-Sperrschicht-Diode bereitzustellen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleiterwafers mit einer darauf ausgebildeten N–-Kathodenschicht; Ausbilden einer Anodenschicht der P-Art auf der Kathodenschicht der N-Art, so dass sich eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche zwischen der Kathodenschicht der N-Art und der Anodenschicht der P-Art bildet; Ausbilden einer Kathoden- und Anodenelektrode auf dem Halbleiterwafer bzw. der Anodenschicht der P-Art; gleichzeitiges Implantieren erster und zweiter Ionen mit sich voneinander unterscheidenden durchschnittlichen Vordringbereichen Rp bis zur Kathodenschicht, so dass sich abwechselnd einer oder mehrere erste und zweite implantierte Bereiche ausbilden und Seite an Seite überlappen, und dadurch ein Gitterstörstellenbereich mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke unterhalb der und angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche entsteht.
Der zweite Aspekt der Erfindung besteht darin, eine PN-Sperrschicht-Diode bereitzustellen, die folgendes umfasst: einen Halbleiterwafer mit einer Kathodenschicht der N-Art; eine Anodenschicht der P-Art, die auf der Kathodenschicht der N-Art so ausgebildet ist, dass sich eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche zwischen der Kathodenschicht der N-Art und der Anodenschicht der P-Art bildet; eine Kathoden- und eine Anodenelektrode, die auf dem Halbleiterwafer bzw. der Anodenschicht der P-Art ausgebildet sind; und ein Gitterstörstellenbereich in der Kathodenschicht der N-Art mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke; bei der der Gitterstörstellenbereich eine Gitterstörstellenkonzentrationsverteilung mit einer Halbwertbreite aufweist, die größer ist als diejenige des Gitterstörstellenbereichs, der durch Implantieren von Ionen ausgebildet wird, die untereinander im wesentlichen gleiche durchschnittliche Vordringbereiche Rp aufweisen und wobei der Gitterstörstellenbereich einen oder mehrere erste und zweite implantierte Bereiche aufweist, die abwechselnd durch Implantieren von Ionen ausgebildet sind, die durchschnittliche Vordringbereiche Rp aufweisen, die sich voneinander unterscheiden und sich Seite an Seite so überlappen, dass der Gitterstörstellenbereich Störstellengitter aufweist, die im wesentlichen gleichmäßig über den Bereich verteilt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen verständlicher, die nur zu Darstellungszwecken wiedergegeben sind und sich somit nicht auf die vorliegende Erfindung beschränken:
1 ist eine Querschnittsansicht einer PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die 2A und 2B sind eine Ansicht von oben bzw. eine Querschnittsansicht eines Absorbers, der zur Herstellung der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der ersten Ausführungsform verwendet wird;
die 3A bis 3C sind graphische Darstellungen, die die Verteilungen von Störstellenkonzentrationen in jeder Schicht und einer Gitterstörstellenkonzentration in einem Gitterstörstellenbereich der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung zeigen;
die 4A und 4B sind eine Ansicht von oben bzw. eine Querschnittsansicht eines alternativen Absorbers, der zur Herstellung der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der ersten Ausführungsform verwendet wird;
5 ist eine Querschnittsansicht einer PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Querschnittsansicht einer PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Querschnittsansicht einer PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Die 8A und 8B sind graphische Darstellungen, die die Verteilungen von Störstellenkonzentrationen in jeder Schicht und einer Gitterstörstellenkonzentration in dem Gitterstörstellenbereich der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung zeigen;
9 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung, die sich auf die vorliegenden Erfindung bezieht; und
10 ist eine graphische Darstellung, die die Verteilungen von Störstellenkonzentrationen in jeder Schicht und einer Gitterstörstellenkonzentration in dem Gitterstörstellenbereich der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Einzelheiten von Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Obwohl in diesen Beschreibungen die richtungsanzeigende Terminologie (z.B. „oben", „unten" und „vertikal") der Klarheit halber verwendet wird, sollte sie nicht so ausgelegt werden, dass sie den Rahmen der vorliegenden Erfindung einschränkt.
Ausführungsform 1
Mit Bezug auf die 1 bis 4 wird nachstehend die erste Ausführungsform einer PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Querschnittsansicht der mit dem Bezugszeichen 100 versehenen PN-Sperrschicht-Dioden vorrichtung. In 1 sind Elemente, die gleich oder ähnlich denjenigen von 9 sind, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
Wie in 1 dargestellt ist, weist die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100 eine geschichtete Struktur auf und umfasst im allgemeinen eine N+-Kathodenschicht 1, eine N–-Kathodenschicht 2 und eine P–-Anodenschicht 3. Eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4 ist an der Grenzfläche zwischen der N–-Kathodenschicht 2 und der P–-Anodenschicht 3 ausgebildet. Jede der vorgenannten Schichten besteht aus einem Material, das Silizium enthält.
Eine Anodenelektrode 5 ist auf der Oberfläche der P–-Anodenschicht 3 aufgebracht, während eine Kathodenelektrode 6 auf der Grundfläche der N+-Kathodenschicht 1 ausgebildet ist. Jede der Elektroden besteht aus einem Material wie Aluminium.
Die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung weist in der N–-Kathodenschicht 2 einen Gitterstörstellenbereich 7 auf, der unterhalb der und angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4 ausgebildet ist. Die Verteilung des Gitterstörstellenbereichs 7 nach der ersten Ausführungsform 1 weist einen niedrigeren Spitzenwert und eine größere Halbwertbreite W auf als der herkömmliche Gitterstörstellenbereich 17, d.h., W > T. Beispielsweise kann sich die Halbwertbreite W des Gitterstörstellenbereichs 7 nach der vorliegenden Ausführungsform in einem Bereich von ca. 15 bis 20 Mikron ansiedeln, das ist etwa 1,5 bis 2,0 Mal größer als der herkömmliche Bereich.
Bei der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100 erfüllt der Gitterstörstellenbereich 7, der unterhalb der und angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4 ausgebildet ist, eine Aufgabe als sogenannter „life-time killer". Somit erfasst und löscht der Gitterstörstellenbereich die Minoritätsträger, d.h. Löcher, die aus der P–-Anodenschicht 3 in die N–-Kathodenschicht 2 injiziert wurden, deshalb kann die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 200 vor einer negativen Stoßspannung geschützt werden, und es kann ein Schnellschalten realisiert werden.
Da die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100 den Gitterstörstellenbereich 7 mit einem niedrigeren Spitzenwert und eine größere Halbwertbreite W als diejenige T der herkömmlichen Vorrichtung 200 umfasst, kann die Abweichung der Gitterstörstellenkonzentration zwischen den PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 100 auf dem ganzen Wafer reduziert werden. Dazu kann die Abweichung der Vorwärtsspannungen zwischen den Vorrichtungen auf dem Wafer im wesentlichen reduziert werden.
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform 1 nachstehend beschrieben. Das Herstellungsverfahren umfasst im allgemeinen die wie weiter unten beschriebenen Schritte 1 bis 5.
Schritt 1:
Ein Siliziumwafer mit der N+-Kathodenschicht 1 und der N–-Kathodenschicht 2 wird vorbereitet. Der Siliziumwafer kann einen Durchmesser von 5 Inch haben.
Schritt 2:
Die P–-Anodenschicht 3 wird auf der N–-Kathodenschicht 2 ausgebildet, indem Ionen der P-Art gleichmäßig auf der ganzen N–-Kathodenschicht 2 implantiert werden. Die Grenzfläche zwischen der N–-Kathodenschicht 2 und der P–-Anodenschicht 3 wird zur PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4.
Schritt 3:
Die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektrode 6 wird beispielsweise aus Aluminium durch Aufdampfen auf die P–-Anodenschicht 3 bzw. die N+-Kathodenschicht 1 ausgebildet.
Schritt 4:
Ionen mit einer niedrigen Atomzahl, wie beispielsweise ein Proton- oder Heliumion werden mittels eines Ionenbeschleunigers wie eines Zyklotrons so implantiert, dass sie bis zur N–-Kathodenschicht 2 reichen. Die Ionen werden auch durch einen Absorber 18 implantiert, der aus einem Material wie Aluminium und Silizium besteht. Nach dem Implantieren von Ionen wird die N–-Kathodenschicht 2 geglüht, so dass die meisten der implantierten Ionen aus der N–-Kathodenschicht 2 evakuiert werden, wodurch der Gitterstörstellenbereich 7 in der N–-Kathodenschicht 2 zurückbleibt.
Die 2A und 2B sind eine vergrößerte Drauf- bzw. Querschnittsansicht des Absorbers 18. Der Absorber 18 weist eine streifenartige Konfiguration mit mehreren abwechselnd ausgebildeten dicken und dünnen Bereichen 19, 20 auf, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Wie in 2A deutlich gezeigt ist, sind die dicken Bereiche 19 in einer vertikalen (Tiefen-) Richtung dicker als die dünnen Bereiche 20. Der Absorber 18 mit der streifenartigen Konfiguration kann ausgebildet werden, indem ein flaches Substrat aus Aluminium oder Silizium so geätzt wird, dass mehrere Rillen erhalten werden. Alternativ kann der Absorber 18 dadurch hergestellt werden, dass ein streifenartiges Substrat, das mehrere Streifen aufweist, auf einem flachen Substrat befestigt wird.
Wie in 2B dargestellt ist, umfasst der Absorber 18 mehrere dicke und dünne Bereiche 19, 20, die jeweils eine Breite L1 bzw. L2 aufweisen. Da Rp als ein durchschnittlicher Vorsprungsbereich (Tiefe) in der Verteilung der Ionen definiert ist, die durch die dünnen Bereiche 20 des Absorbers 18 implantiert sind, werden dann die Breiten L1, L2 der dicken und dünnen Bereiche 19, 20 so ausgelegt, dass sie der folgenden Formel (1) genügen: Rp ≥ L1 – L2 (1)L1, L2 und Rp können beispielsweise jeweils 20 Mikron, 10 Mikron und 20 Mikron betragen.
Die 3A, 3B und 3C sind graphische Darstellungen, die Trägerkonzentrationen und eine Gitterstörstellenkonzentration zeigen, die vom vertikalen Abstand (der Tiefe) von der Oberfläche der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung abhängen. Somit befinden sich die Anoden- und Kathodenelektrode 5 und 6 in 3 auf der linken bzw. rechten Seite. Die Bezeichnungen „P", „N" und „q" in 3 geben Verteilungen der Störstellenkonzentrationen der P- und N-Art bzw. der Gitterstörstellenkonzentration an. Die römischen Zahlen I, II und III bezeichnen jeweils Bereiche der P–-Anodenschicht 3, der N–-Kathodenschicht 2 und der N+-Kathodenschicht 1.
3A ist eine graphische Darstellung, die jede Konzentration in einem Querschnitt entlang der Linie A-A von 1 zeigt. In 3A gibt die Bezeichnung „q1" die Verteilung der Gitterstörstellenkonzentration an, die eine Halbwertbreite W1 aufweist. 3B ist auch eine graphische Darstellung, die jede Konzentration in einem Querschnitt entlang der Linie B-B von 1 zeigt. In 3B gibt die Bezeichnung „q2" die Verteilung der Gitterstörstellenkonzentration an, die eine Halbwertbreite W2 aufweist.
Wie in den 3A und 3B deutlich gezeigt ist, befindet sich die Spitze der Verteilung q1 links von der Spitze der Verteilung q2 (d.h. sie befindet sich näher an der Anodenelektrode 5). Auch sind die Spitzenhöhen der Verteilungen q1 und q2 in den 3A und 3B niedriger als die in 10 gezeigte Spitzenkonzentration der Verteilung q.
In der Praxis werden Ionen, die in die N–-Kathodenschicht 2 implantiert werden, auch in einer seitlichen Richtung gestreut und verteilt, und die Verteilungen q1 und q2 überlappen sich Seite an Seite und verschmelzen zu der tatsächlichen Verteilung q der Gitterstörstellenkonzentration der vorliegenden Erfindung, wie in 3C dargestellt ist. Schließlich weist der Gitterstörstellenbereich 7 eine gleichmäßige Verteilung q der Gitterstörstellenkonzentration auf dem ganzen Wafer auf, wodurch eine größere Halbwertbreite W und eine niedrigere Spitzenkonzentration realisiert wird, und die Gesamtanzahl der Störstellengitter im Gitterstörstellenbereich 7 unverändert aufrechterhalten bleibt. Beispielsweise können die in den 3A, 3B und 3C angegebenen Halbwertbreiten W1, W2 und W3 jeweils ca. 10 Mikron, 10 Mikron und 15 Mikron betragen.
Schritt 5:
Der Wafer wird in mehrere PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 100 zerschnitten.
Wie zuvor beschrieben kann nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung der Gitterstörstellenbereich 7 mit der größeren Halbwertbreite W mit nur einem Implantationsschritt realisiert werden.
Die 4A und 4B sind eine vergrößerte Drauf- bzw. Querschnittsansicht eines anderen Absorbers 28, der für das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie in den 4A und 4B gezeigt ist, besitzt der Absorber 28 mehrere quadratische dicke Bereiche 29 (vorspringende Bereiche), die eine Seite mit der Breite L1 aufweisen, und außer den dicken Bereichen einen dünnen Bereich 30. Jeder dicke Bereich 29 ist um einen Spalt L2 vom anderen beabstandet. Auf diese Weise besitzt der Absorber 28 eine matrixförmige Konfiguration.
Da Rp auch als durchschnittlicher Vorsprungsbereich in der Verteilung der durch die dünnen Bereiche 30 des Absorbers 28 implantierten Ionen definiert ist, wird die Breite L1 und L2 der dicken und dünnen Bereiche 29 und 30 so ausgelegt, dass sie der vorgenannten Formel genügen. Beispielsweise können L1, L2 und Rp jeweils ca. 20 Mikron, 10 Mikron und 20 Mikron betragen.
Wird der Absorber 28 zur Herstellung des Gitterstörstellenbereichs 7 verwendet, können ähnliche Verteilungen q1 und q2 der Gitterstörstellenkonzentrationen erzielt werden, sowie diejenigen, die in den 3A und 3B gezeigt sind, in denen der Absorber 18 verwendet wird. Schließlich kann wieder der gleiche Gitterstörstellenbereich 7 mit einer gleichmäßigen Verteilung q der Gitterstörstellenkonzentration mit einer größeren Halbwertbreite W und einer niedrigeren Spitzenkonzentration erzielt werden.
Der Absorber 28 mit der matrixförmigen Konfiguration kann auf ähnliche Weise wie der Absorber 18 ausgebildet werden, indem ein flaches Substrat aus Aluminium oder Silizium so geätzt wird, dass mehrere Gitter oder Raster erhalten werden. Alternativ kann der Absorber 28 dadurch hergestellt werden, dass mehrere im wesentlichen quadratische Mikrosubstrate in einer Matrix auf einem flachen Substrat befestigt werden.
Ausführungsform 2.
5 ist eine Querschnittsansicht der mit der Bezugszahl 110 bezeichneten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform. Elemente in 5, die gleich oder ähnlich denjenigen von 9 sind, sind mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
In der in 5 gezeigten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 110 weist die Anodenelektrode 15 eine streifenartige Konfiguration mit mehreren abwechselnd ausgebildeten dicken und dünnen Bereichen auf, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Die anderen Elemente der Vorrichtung sind dieselben wie bei der zuvor beschriebenen PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100.
Der durchschnittliche Vorsprungsbereich Rp ist ebenfalls als der durchschnittliche Bereich in der Verteilung der Ionen definiert, die durch die dünnen Bereiche der Anodenelektrode 15 implantiert sind. Die Breite L1 und L2 der dicken und dünnen Bereiche wird dann so ausgewählt, dass der zuvor erwähnten Formel (1) Genüge getan wird.
Als nächstes wird nachstehend der Herstellungsprozess der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 110 beschrieben. Bei dem Herstellungsprozess wird wie bei Schritt 1 und 2 nach der ersten Ausführungsform vorgegangen. Dann wird in Schritt 3 die streifenartige Anodenelektrode 15 mit mehreren dicken und dünnen Bereichen ausgebildet.
Im Schritt 4 werden Ionen wie Protonen durch die Anodenelektrode 15 bis zur N–-Kathodenschicht 2 implantiert, die geglüht wird, um die Ionen daraus zu evakuieren, wodurch der Gitterstörstellenbereich 7 ausgebildet wird. Die Ströstellengitter, die von Ionen durch die dicken Bereiche der Anodenelektrode 15 ausgebildet werden, verteilen sich wie in 3A gezeigt entsprechend der Verteilung im Querschnitt entlang der Linie A-A von 5. Auch die Störstellengitter, die von Ionen durch die dünnen Bereiche der Anodenelektrode 15 ausgebildet werden, verteilen sich wie in 3B gezeigt entsprechend der Verteilung im Querschnitt entlang der Linie B-B von 5.
Zuletzt wird im Schritt 5 der Wafer in mehrere PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 110 zerschnitten.
Es ist festzuhalten, dass die Anodenelektrode 15 auch in einer matrixförmigen Konfiguration ausgebildet werden kann, die mehrere quadratische dicke Bereiche mit einer Seite mit der Breite L1 umfasst, die durch einen Spalt L2 im dünnen Bereich voneinander beabstandet sind.
Zu diesem Zweck ist die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 110 vor einer Stoßspannung geschützt und kann Schnellschaltvorgänge durchführen. Auch die Abweichung der Vorwärtsspannungen V_F zwischen den PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 110 kann reduziert werden.
Nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform kann ein einziger Implantationsschritt den Gitterstörstellenbereich 7 mit der Verteilung der Störstellengitterkonzentration ausbilden, die eine niedrigere Spitzenkonzentration und eine größere Halbwertbreite aufweist als der Gitterstörstellenbereich, der durch Ionen ausgebildet wird, die mit im wesentlichen derselben Energie (durchschnittlicher Vorsprungsbereich Rp) implantiert werden. Deshalb kann die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung auf einfache und wirtschaftliche Weise hergestellt werden.
Ausführungsform 3.
6 ist eine Querschnittsansicht der mit der Bezugszahl 120 bezeichneten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der dritten Ausführungsform. Elemente in 6, die gleich oder ähnlich denjenigen von 9 sind, sind mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
Bei der in 6 gezeigten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 120 umfasst eine Isolierschicht 9 mehrere abwechselnd ausgebildete Isolierinseln, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken und auf der P–-Anodenschicht 3 ausgebildet sind. Die Isolierschicht 9 besteht aus einem Material wie Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Jede der streifenartigen Isolierinseln auf der Anodenschicht 3 weist eine Breite L1 auf und ist von der nächsten um einen Spalt L2 beabstandet. Die Breite L1 und der Spalt L2 sind so ausgelegt, dass der durchschnittliche Vorsprungsbereich Rp der durch den Spalt hindurchgehenden Ionen der zuvor erwähnten Formel (1) genügt. Insbesondere betragen L1, L2 und Rp jeweils 20 Mikron, 10 Mikron und 20 Mikron. Die Dicke der streifenartigen Isolierschicht 9 kann ca. 10 Mikron betragen.
Auch die Anodenelektrode 5 besitzt eine wie in 6 gezeigte Konfiguration, da sie auf die streifenartige Isolierschicht 9 aufgebracht ist. Weitere Strukturen sind dieselben wie bei der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform.
Als nächstes wird nachstehend der Herstellungsprozess der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 120 beschrieben. Beim Herstellungsprozess wird wie bei den Schritten 1 und 2 nach der ersten Ausführungsform vorgegangen.
Dann wird die streifenartige Isolierschicht 9 mit mehreren Isolierinseln auf der P–-Anodenschicht 3 ausgebildet, beispielsweise, indem eine gleichmäßige Schicht Siliziumdioxid durch CVD aufgetragen und die gleichmäßige Schicht dann zu einer streifenartigen Konfiguration geätzt wird. In Schritt 3 wird die Anodenelektrode 5 auch so ausgebildet, dass sie die Isolierschicht 9 bedeckt, so dass auch sie eine streifenartige Konfiguration aufweist.
Als nächstes werden im Schritt 4 Protonen in die N–-Kathodenschicht 2 durch die Isolierschicht 9 (d.h. die Isolierinseln und die dazwischenliegenden Spalte) implantiert, so dass sich der Gitterstörstellenbereich 7 in der N–-Kathodenschicht 2 bildet. Die Störstellengitter, die von Ionen durch die Isolierinseln der Isolierschicht 9 gebildet werden, verteilen sich wie in 3A gezeigt entsprechend der Verteilung im Querschnitt entlang der Linie A-A von 6. Auch die Störstellengitter, die von Ionen durch die Spalte zwischen den Isolierinseln gebildet werden, verteilen sich wie in 3B gezeigt entsprechend der Verteilung im Querschnitt entlang der Linie B-B von 6. Ähnlich der ersten Ausführungsform besitzt auch der sich ergebende Gitterstörstellenbereich 7 eine Verteilung, die von denjenigen überlappt wird, die in den 3A und 3B gezeigt sind, was in 3C dargestellt ist, und besitzt eine größere Halbwertbreite W und eine über den ganzen Wafer im wesentlichen gleichmäßige Dicke.
Zuletzt wird im Schritt 5 der Wafer in mehrere PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 120 zerschnitten.
Es ist festzuhalten, dass ähnlich dem in 4 dargestellten Absorber 28 die Isolierschicht 9 auch in einer matrixförmigen Konfiguration mit mehreren quadratischen Isolierinseln ausgebildet werden kann, die eine Seite mit der Breite L1 aufweisen, und die durch den Spalt L2 voneinander beabstandet sind.
Zu diesem Zweck ist die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 120 vor einer Stoßspannung geschützt und kann Schnellschaltvorgänge durchführen. Auch die Abweichung der Vorwärtsspannungen V_F zwischen den PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 120 kann reduziert werden.
Nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform kann ein einziger Implantationsschritt den Gitterstörstellenbereich 7 mit der Verteilung der Störstellengitterkonzentration ausbilden, die eine niedrigere Spitzenkonzentration und eine größere Halbwertbreite aufweist als der Gitterstörstellenbereich, der durch Ionen ausgebildet wird, die mit im wesentlichen derselben Energie (durchschnittlicher Vorsprungsbereich Rp) implantiert werden. Deshalb kann die PN-Sperrschicht- Diodenvorrichtung auf einfache und wirtschaftliche Weise hergestellt werden.
Ausführungsform 4.
7 ist eine Querschnittsansicht der mit der Bezugszahl 130 bezeichneten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung nach der vierten Ausführungsform. Elemente in 7, die gleich oder ähnlich denjenigen von 9 sind, sind mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
Bei der in 7 gezeigten PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 130 sind mehrere sich zueinander im wesentlichen parallel erstreckende streifenartige Rillen 10 auf der N–-Kathodenschicht 2 (an der PN-Sperrschicht-Grenzfläche 4) ausgebildet. Die streifenartigen Rillen 10 werden ausgebildet, indem die Oberfläche der N–-Kathodenschicht 2 geätzt wird. Mit anderen Worten umfasst die N–-Kathodenschicht 2 mehrere dünne Bereiche, die den Rillen 10 entsprechen, und dicke Bereiche, die dem Bereich zwischen den Rillen 10 entsprechen. Die benachbarten Rillen 10 weisen einen Abstand L1 auf (der der Breite des dicken Bereichs entspricht), und jede der Rillen 10 (die den dünnen Bereichen entsprechen) besitzt eine Breite L2. Darüber hinaus weisen, wie die vorstehenden Ausführungsformen, L1, L2 und Rp ein Verhältnis auf, das durch die zuvor erwähnte Formel (1) ausgedrückt ist. Insbesondere betragen L1, L2 und Rp jeweils ca. 20 Mikron, 10 Mikron und 20 Mikron. Die Dicke der streifenartigen Rillen 10 kann ca. 10 Mikron betragen.
Die Anodenschicht 3 und die Anodenelektrode 5 haben auch Querschnitte, die gleich denjenigen der N–-Kathodenschicht 2 sind, übereinstimmend mit deren Rillen, wie in 7 gezeigt ist, da sie auf der streifenartigen Kathodenschicht 2 aufgebracht sind. Weitere Strukturen sind dieselben wie diejenigen der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform.
Als nächstes wird nachstehend der Herstellungsprozess der PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 130 beschrieben. Beim Herstellungs prozess wird wie beim Schritt 1 nach der ersten Ausführungsform vorgegangen, um den Siliziumwafer mit einer N+-Kathodenschicht 1 und einer N–-Kathodenschicht 2 vorzubereiten.
Dann wird die Oberfläche der N-Kathodenschicht 2 mit einer gebräuchlichen Lithographie- und Ätztechnik geätzt, um mehrere Rillen 10 auszubilden, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
Als nächstes wird wie bei den Schritten 2 und 3 nach der ersten Ausführungsform vorgegangen, um die P-Anodenschicht 3 und die Anoden- und Kathodenelektrode 5 und 6 auszubilden.
Im Schritt 4 werden Protonen in die N-Kathodenschicht 2 durch die Anodenelektrode 5 injiziert, so dass sich in der N–-Kathodenschicht 2 der Gitterstörstellenbereich 7 bildet. Die 8A und 8B sind graphische Darstellungen, die die Verteilungen der Trägerkonzentrationen und der Gitterstörstellenkonzentration darstellen. Elemente in den 8A und 8B, die gleich oder ähnlich denjenigen von 3 sind, sind mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen.
Als nächstes werden im Schritt 4 Protonen in die streifenartige N–-Kathodenschicht 2 injiziert, so dass sich in der N–-Kathodenschicht 2 der Gitterstörstellenbereich bildet. Die Störstellengitter, die von Ionen nicht durch die Rillen 10 (d.h. von den Ionen durch die Bereiche außer den Rillen 10) ausgebildet werden, verteilen sich wie in 8A gezeigt entsprechend der Verteilung im Querschnitt entlang der Linie A-A von 7. Auch verteilen sich die Störrstellengitter, die von Ionen durch die Rillen 10 ausgebildet werden, wie in 8B gezeigt entsprechend der Verteilung im Querschnitt entlang der Linie B-B von 7. Wie die erste Ausführungsform weist der sich ergebende Gitterstörstellenbereich 7 eine Verteilung auf, die von denjenigen, die in den 8A und 8B gezeigt sind, überlappt werden, und besitzt eine größere Halbwertbreite W und eine über den ganzen Wafer im wesentlichen gleichmäßige Dicke.
Zuletzt wird im Schritt 5 der Wafer in mehrere PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 130 zerschnitten.
Es wäre festzuhalten, dass die Oberfläche der N–-Kathodenschicht 2 auch zu einer matrixförmigen Konfiguration mit mehreren der quadratischen Vertiefungen mit einer Seite L2 ausgebildet werden kann, die um den Spalt mit der Breite L1 voneinander beabstandet sind.
Zu diesem Zweck ist die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung 130 vor einer Stoßspannung geschützt und kann Schnellschaltvorgänge durchführen. Auch die Abweichung der Vorwärtsspannungen V_F zwischen den PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtungen 130 kann reduziert werden.
Nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform kann ein einziger Implantationsschritt den Gitterstörstellenbereich 7 mit der Verteilung der Störstellengitterkonzentration ausbilden, die eine niedrigere Spitzenkonzentration und eine größere Halbwertbreite aufweist als der Gitterstörstellenbereich, der durch Ionen ausgebildet wird, die mit im wesentlichen derselben Energie (durchschnittlicher Vorsprungsbereich Rp) implantiert werden. Deshalb kann die PN-Sperrschicht-Diodenvorrichtung auf einfache und wirtschaftliche Weise hergestellt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Verfahren zur Herstellung einer PN-Sperrschicht-Diode (100, 110, 120, 130), das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Halbleiterwafers (1) mit einer darauf ausgebildeten N–-Kathodenschicht (2); Ausbilden einer Anodenschicht (3) der P-Art auf der Kathodenschicht (2) der N-Art, so dass sich eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche (4) zwischen der Kathodenschicht (2) der N-Art und der Anodenschicht (3) der P-Art bildet; Ausbilden einer Kathoden- und Anodenelektrode (5, 6) auf dem Halbleiterwafer (1) bzw. der Anodenschicht (3) der P-Art; gleichzeitiges Implantieren erster und zweiter Ionen mit sich voneinander unterscheidenden durchschnittlichen Vordringbereichen Rp bis zur Kathodenschicht (2), so dass sich abwechselnd einer oder mehrere erste und zweite implantierte Bereiche ausbilden und Seite an Seite überlappen, und dadurch ein Gitterstörstellenbereich (7) mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke unterhalb der und angrenzend an die PN-Sperrschicht-Grenzfläche (4) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, das darüber hinaus den folgenden Schritt umfasst: Bereitstellen eines Absorbers (18) mit einem oder mehreren abwechselnd ausgebildeten dicken und dünnen Bereichen (19, 20), die Breiten L1 bzw. L2 aufweisen; bei dem der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich (20) hindurchgehen, der folgenden Formel genügt: Rp ≥ L1 – L2; und bei dem der Schritt des gleichzeitigen Implantierens umfasst, Ionen durch den Absorber (18) zu implantieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Anodenelektrode (5) einen oder mehrere abwechselnd ausgebildete dicke und dünne Bereiche umfasst, die Breiten L1 bzw. L2 aufweisen; bei dem der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich hindurchgehen, der folgenden Formel genügt: Rp ≥ L1 – L2; undbei dem der Schritt des gleichzeitigen Implantierens umfasst, Ionen durch die Anodenelektrode (5) zu implantieren.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die dicken und dünnen Bereiche streifenartig sind und sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der dicke Bereich im wesentlichen quadratisch mit einer Seite mit der Breite L1 in einer matrixförmigen Konfiguration ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das darüber hinaus den folgenden Schritt umfasst: Ausbilden einer Isolierschicht (9) mit mehreren Isolierinseln auf der Anodenschicht (3) mit einer Breite L1, wobei jede der Isolierinseln um einen Spalt mit einer Breite L2 von der nächsten beabstandet ist; bei dem der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich hindurchgehen, der folgenden Formel genügt: Rp ≥ L1 – L2; undbei dem der Schritt des gleichzeitigen Implantierens umfasst, Ionen durch die Isolierinseln und die dazwischen liegenden Spalten zu implantieren.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem jede der Isolierinseln eine Konfiguration von Streifen aufweist, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem jede der Isolierinseln im wesentlichen quadratisch mit einer Seite mit der Breite L1 ausgebildet ist, so dass die Isolierschicht (9) eine matrixförmige Konfiguration aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kathodenschicht (2) so ausgebildet ist, dass sie einen oder mehrere abwechselnd ausgebildete dicke und dünne Bereiche umfasst, die Breiten L1 bzw. L2 aufweisen; bei dem der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich hindurchgehen, der folgenden Formel genügen: Rp > L1 – L2; undbei dem der Schritt des gleichzeitigen Implantierens umfasst, Ionen durch die Anodenschicht (3) in die Kathodenschicht (2) zu implantieren.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kathodenschicht (2) eine streifenartige Konfiguration mit den dicken und dünnen Bereichen aufweist, die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem jeder der dünnen Bereiche im wesentlichen quadratisch mit einer Seite mit der Breite L2 ausgebildet ist, so dass die Isolierschicht (9) eine matrixförmige Konfiguration aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Ionen, die bis zur Kathodenschicht (2) implantiert werden, aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Protonen und Heliumionen besteht.
PN-Sperrschicht-Diode (100, 110, 120, 130), die folgendes umfasst: einen Halbleiterwafer (1) mit einer Kathodenschicht (2) der N-Art; eine Anodenschicht (3) der P-Art, die auf der Kathodenschicht (2) der N-Art so ausgebildet ist, dass sich eine PN-Sperrschicht-Grenzfläche (4) zwischen der Kathodenschicht (2) der N-Art und der Anodenschicht (3) der P-Art bildet; eine Kathoden- und eine Anodenelektrode (5, 6), die auf dem Halbleiterwafer (1) bzw. der Anodenschicht (3) der P-Art ausgebildet sind; und ein Gitterstörstellenbereich (7) in der Kathodenschicht (2) der N-Art mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke; bei der der Gitterstörstellenbereich (7) eine Gitterstörstellenkonzentrationsverteilung mit einer Halbwertbreite aufweist, die größer ist als diejenige des Gitterstörstellenbereichs (7), der durch Implantieren von Ionen ausgebildet wird, die untereinander im wesentlichen gleiche durchschnittliche Vordringbereiche Rp aufweisen und wobei der Gitterstörstellenbereich (7) einen oder mehrere erste und zweite implantierte Bereiche aufweist, die abwechselnd durch Implantieren von Ionen ausgebildet sind, die durchschnittliche Vordringbereiche Rp aufweisen, die sich voneinander unterscheiden und sich Seite an Seite so überlappen, dass der Gitterstörstellenbereich (7) Störstellengitter aufweist, die im wesentlichen gleichmäßig über den Bereich verteilt sind.
PN-Sperrschicht-Diode (110) nach Anspruch 13, bei der die Anodenelektrode (5) einen oder mehrere abwechselnd ausgebildete dicke und dünne Bereiche umfasst, die Breiten L1 bzw. L2 aufweisen; bei der der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich hindurchgehen, der folgenden Formel genügt: Rp ≥ L1 – L2.
PN-Sperrschicht-Diode (120) nach Anspruch 13, die darüber hinaus umfasst: eine Isolierschicht (9) mit mehreren Isolierinseln auf der Anodenschicht (3) mit einer Breite L1, wobei jede der Isolierinseln um einen Spalt mit einer Breite L2 von der nächsten beabstandet ist; bei der der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich hindurchgehen, der folgenden Formel genügt: Rp ≥ L1 – L2.
PN-Sperrschicht-Diode (130) nach Anspruch 13, bei der die Kathodenschicht (2) so ausgebildet ist, dass sie einen oder mehrere abwechselnd ausgebildete dicke und dünne Bereiche umfasst, die Breiten L1 bzw. L2 aufweisen; bei der der durchschnittliche Vordringbereich Rp von Ionen, die durch den dünnen Bereich hindurchgehen, der folgenden Formel genügt: Rp ≥ L1 – L2.