DE112012004043T5 - Halbleitereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitereinrichtung anzugeben, die eine hohe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, ohne eine eingebettete Injektionsschicht mit hoher Positionsgenauigkeit ausbilden zu müssen. Eine Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Basis (2) als eine aktive Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Oberflächenschicht einer Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, um ein Halbleiterelement zu bilden; Schutzringe (11 bis 16) als eine Vielzahl von ersten Störstellenbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, so dass sie jeweils die Basis (2) in der Draufsicht umgeben; und eine eingebettete Injektionsschicht (18) als zweiten Störstellenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet ist, um zumindest zwei untere Bereiche der Vielzahl von Schutzringen (11 bis 16) zu verbinden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleitereinrichtungen, insbesondere eine Halbleitereinrichtung, die einen Abschluss-Endbereich zum Verbessern der Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Durchbruchspannung in einem äußeren peripheren Bereich eines Elements aufweist.
  • Stand der Technik
  • Die Durchbruchspannung einer Halbleitereinrichtung, die durch eine Diode, einen MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) repräsentiert wird, beinhaltet eine Durchbruchspannung in Sperrrichtung einer Diode sowie eine Durchbruchspannung im ausgeschalteten Zustand eines Transistors. Dies sind beides Durchbruchspannungen in einem Zustand, in welchem das Halbleiterelement nicht als aktives Element fungiert.
  • In dem Zustand, in welchem das Halbleiterelement nicht als aktives Element fungiert, wird die an die Halbleitereinrichtung angelegte Spannung von einer Verarmungsschicht gehalten, die sich in dem Halbleitersubstrat ausbildet, das mit dem Element versehen ist.
  • Als eine Technik zum Verbessern der Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Durchbruchspannung der Halbleitereinrichtung ist eine Technik bekannt, bei welcher ein Abschluss-Endbereich mit einer Störstellen-Injektionsschicht von einem Leitfähigkeitstyp dem Halbleitersubstrat gegenüberliegend angeordnet ist, so dass er eine aktive Zone umgibt, die als aktives Element des Halbleitersubstrats dient.
  • Als Struktur des Abschluss-Endbereichs (Abschlussstruktur) ist eine Struktur bekannt, die an der äußeren Seite der aktiven Zone die Störstellen-Injektionsschicht vom Leitfähigkeitstyp gegenüber dem Halbleitersubstrat in Schichten ausbildet, so dass sie voneinander beabstandet sind, und zwar in Richtung der äußeren Seite. Da die Störstellen-Injektionsschicht eine Ringform aufweist, wenn die Halbleitereinrichtung von oben betrachtet wird, so wird sie als Schutzring oder FLR (Field Limiting Ring; Feldbegrenzungsring) bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung bezieht sich die Struktur auf die gesamte Vielzahl von Schutzringen und wird generell als Schutzringstruktur bezeichnet.
  • Wenn solch eine Schutzringstruktur angeordnet wird, dann breitet sich die Verarmungsschicht auf einfache Weise in Richtung der äußeren Seite der aktiven Zone aus. Im Ergebnis wird die Konzentration des elektrischen Felds am unteren Endbereich der aktiven Zone (Eckbereich der Injektionsschicht in der Schnittansicht) gemildert, und die Durchbruchspannung der Halbleitereinrichtung kann verbessert werden.
  • Bei Transistoren, wie z. B. MOSFET, IGBT und dergleichen, wird der äußerste Bereich der aktiven Zone normalerweise eine tiefe Störstellen-Injektionsschicht (Mulde), und zwar vom Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt zu dem des Halbleitersubstrats. Folglich wird der Schutzring oft gleichzeitig mit der Mulde ausgebildet. Dies ist bei einer PIN-Diode (P-Intrinsic-N-Diode) ähnlich, und der Schutzring wird normalerweise gleichzeitig mit der Störstellen-Injektionsschicht (Basis) ausgebildet, die zur aktiven Zone wird.
  • Wie oben beschrieben, ist es die Funktion der Schutzringstruktur, die Verarmungsschicht in Richtung der äußeren Seite der aktiven Zone auszuweiten. Damit geht jedoch einher, dass die Konzentration des elektrischen Felds nicht nur am unteren Endbereich der aktiven Zone auftritt, sondern auch am unteren Endbereich auf der äußeren Seite des einzelnen Schutzrings. Solch eine Konzentration des elektrischen Felds hat die Tendenz, stärker zu werden, wenn die Veränderung der Störstellenkonzentration in der Nähe der Übergangsfläche des PN-Übergangs steiler wird.
  • Da die Mulde und die Basis eine relativ hohe Konzentration aufweisen, wird die Veränderung der Konzentration in der Nähe der Übergangsfläche des PN-Übergangs steiler, und es ergibt sich die Neigung dazu, dass eine starke Konzentration des elektrischen Felds leicht auftritt. Folglich wird in Silicium (Si) die Störstellendiffusion normalerweise durch Temper-Behandlung vorangebracht, das auf einer hohen Temperatur für einen langen Zeitraum durchgeführt wird, um eine Veränderung der Konzentration in der Nähe der Übergangsfläche des PN-Übergangs graduell zu machen. Dadurch wird die Konzentration des elektrischen Felds gemindert.
  • Alternativ kann eine eingebettete Injektionsschicht mit einer relativ niedrigen Konzentration ausgebildet werden, und zwar am unteren Endbereich der aktiven Zone und am unteren Endbereich auf der äußeren Seite des einzelnen Schutzrings, um die Konzentration schrittweise zu verändern. Folglich wird die Konzentration des elektrischen Felds gemildert. Solch ein Stand der Technik ist im Patentdokument 1 beschrieben.
  • Außerdem sind als Techniken, die sich auf die Abschlussstruktur beziehen, auch Techniken bekannt, die im Patentdokument 2 und im Patentdokument 3 offenbart sind.
  • Dokument des Standes der Technik
  • Patentdokument
    • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2008-004 643 A
    • Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2002-231 965 A
    • Patentdokument 3: Japanisches Patent Nr. 3 708 057
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Allgemein kann in der Schutzringstruktur der Schutzring, der nicht mit der Verarmungsschicht verbunden ist, keine Spannung halten. Das bedeutet Folgendes: Obwohl die Verarmungsschicht mit dem äußersten Schutzring verbunden sein muss, um die Effizienz der Schutzringstruktur bis zum höchsten Ausmaß zu erhöhen, neigt die Ausdehnung der Verarmungsschicht, die sich von dem einzelnen Schutzring ausbreitet, dazu, von Störungen (feste Ladungen, Adsorptions-Aufladungen, externes elektrisches Feld) beeinflusst zu werden, da der einzelne Schutzring ein Floating-Potential aufweist. Dies ist im Patentdokument 1 ähnlich.
  • Gemäß Patentdokument 1 kann die Konzentration des elektrischen Felds am unteren Endbereich der aktiven Zone und am unteren Endbereich auf der äußeren Seite des einzelnen Schutzrings gemildert werden, ohne eine Störstellendiffusion zu verwenden. Folglich scheint dies in Halbleitermaterialien, wie SiC (Siliciumcarbid) wirkungsvoll zu sein, in welchen die Störstellen-Diffusionslänge extrem kurz ist.
  • Die Ausdehnung der Verarmungsschicht ist jedoch klein, da die Substratkonzentration hoch ist in einem Halbleiter mit großer Bandlücke, wie z. B. SiC. Folglich muss das Intervall der einzelnen Schutzringe auf weniger als einige wenige μm verschmälert werden. Es ist schwierig, die eingebettete Injektionsschicht wie im Patentdokument 1 unter solchen Umständen exakt auszubilden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die obigen Probleme zu lösen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitereinrichtung mit einer Durchbruchspannung anzugeben, die eine hohe Zuverlässigkeit hat, und zwar ohne die eingebettete Injektionsschicht mit hoher Positionsgenauigkeit auszubilden.
  • Wege zum Lösen des Problems
  • Eine Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine aktive Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Oberflächenschicht einer Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, um ein Halbleiterelement zu bilden; eine Vielzahl von ersten Störstellenbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, so dass sie jeweils die aktive Zone in der Draufsicht umgeben; und einen zweiten Störstellenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet ist, um zumindest zwei untere Bereiche der Vielzahl von ersten Störstellenbereichen zu verbinden.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Bei der Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung gilt, dass sie Folgendes aufweist: eine aktive Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Oberflächenschicht einer Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, um ein Halbleiterelement zu bilden; eine Vielzahl von ersten Störstellenbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, so dass sie jeweils die aktive Zone in der Draufsicht umgeben; und einen zweiten Störstellenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet ist, um zumindest zwei untere Bereiche der Vielzahl von ersten Störstellenbereichen zu verbinden. Daher kann eine Halbleitereinrichtung mit hoher Durchbruchspannung und hoher Zuverlässigkeit angegeben werden, ohne die eingebettete Injektionsschicht mit hoher Positionsgenauigkeit auszubilden.
  • Diese und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn diese im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Draufsicht, die einen Aufbau zeigt, wenn die vorliegende Erfindung auf eine PIN-Diode angewendet wird.
  • 2 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau zeigt, wenn die vorliegende Erfindung auf eine PIN-Diode angewendet wird.
  • 3 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Halbleitereinrichtung einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau der Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau der Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 eine Ansicht, die Wirkungen der Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer ersten Modifikation der Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer zweiten Modifikation der Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Halbleitereinrichtung einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 10 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines weiteren Modus der Halbleitereinrichtung der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 11 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Halbleitereinrichtung einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 12 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines weiteren Modus der Halbleitereinrichtung der dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 13 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Modifikation der Halbleitereinrichtung der dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 14 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau der Modifikation der Halbleitereinrichtung der dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 15 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Halbleitereinrichtung einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 16 eine Ansicht, die Wirkungen der Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 ist eine Draufsicht, die den Aufbau einer Diode 100 zeigt, wenn die vorliegende Erfindung auf eine Diode angewendet wird. 2 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 1 zeigt.
  • Wie in 1 und 2 gezeigt, gilt bei der Diode 100 Folgendes: Eine aktive Zone (Basis 2), die von einer Injektionsschicht gebildet wird, welche Störstellen vom P-Typ (zweiter Leitfähigkeitstyp) auf einer relativ hohen Konzentration enthält, ist auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats 1 (Halbleiterschicht) ausgebildet, welche Störstellen vom N-Typ (erster Leitfähigkeitstyp) auf einer relativ niedrigen Konzentration enthält. Ein Abschlussbereich 3, der von einer Vielzahl von Injektionsschichten vom P-Typ gebildet ist, ist derart ausgebildet, dass er die Basis 2 umgibt.
  • Eine Anodenelektrode 4 ist auf der Basis 2 angeordnet. Wie in 2 gezeigt, ist eine Kathodenelektrode 5 auf einer Fläche (hintere Fläche des Substrats) angeordnet, die einer Hauptfläche gegenüberliegt, auf welcher die Anodenelektrode 4 ausgebildet ist.
  • Bei einem solchen Aufbau gilt Folgendes: Die Halbleitereinrichtung fungiert als PIN-Diode, wenn eine Vorspannung zwischen der Anodenelektrode 4, die in Kontakt mit der Basis 2 steht, und der Kathodenelektrode 5 auf der hinteren Fläche des Substrats angelegt wird.
  • Nachstehend wird eine Abschlussstruktur, die eine Oberflächenstruktur des Abschlussbereichs ist, hauptsächlich als eine Ausführungsform der Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Erste Ausführungsform
  • Aufbau
  • 3 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau einer Abschlussstruktur 101 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Eine Schutzringstruktur 17 (erster Störstellenbereich), die vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist – genau wie die Basis 2 – und die Schutzringe 11 bis 16 mit der gleichen Konzentration aufweist, ist so ausgebildet, dass sie die Basis 2 umgibt, die wie in 1 und 2 gezeigt ausgebildet ist. Die Schutzringe 11 bis 16 sind derart ausgebildet, dass sie voneinander beabstandet sind. Sie sind auf der Fläche des Halbleitersubstrats 1 ausgebildet, wobei sie in der Draufsicht die Basis 2 umgeben.
  • Der untere Endbereich der Basis 2 als aktive Zone und die unteren Bereiche der Schutzringe 11 bis 16 (erster Störstellenbereich) sind mittels einer eingebetteten Injektionsschicht 18 (zweiter Störstellenbereich) verbunden, welche eine Injektionsschicht vom P-Typ (zweiter Leitfähigkeitstyp) ist, die tiefer injiziert ist als die Basis 2 und eine Konzentration aufweist, die niedriger ist als die der Schutzringe 11 bis 16. In der Zeichnung sind die unteren Bereiche aller Schutzringe 11 bis 16 mittels der eingebetteten Injektionsschicht 18 verbunden.
  • Die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 haben Konzentrationsprofile, bei welchen die Konzentration der am weitesten an der Oberfläche liegenden Fläche besonders hoch ist, um einen ohmschen Kontakt zwischen der Basis 2 und der Anodenelektrode 4 zu erzielen. Die Schutzringe 11 bis 16 sind derart angeordnet, dass sie die Basis 2 in der Draufsicht umgeben, so dass der Zwischenraumabstand zwischen ihnen allmählich größer wird, und zwar mit dem Ende der Basis 2 als Bezugspunkt.
  • Die eingebettete Injektionsschicht 18 hat ein Konzentrationsprofil, bei welchem die Konzentration der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 sehr niedrig ist und bei welchem die Konzentration in der Nähe der unteren Bereiche (Injektionstiefe, Tiefe des PN-Übergangs) der Basis 2 und der Schutzringe 11 bis 16 maximal ist. Das bedeutet, sie hat ein retrogrades Profil, und sie kann folglich als eine Schicht angesehen werden, die innerhalb des Halbleitersubstrats 1 eingebettet ist.
  • Daher wird die Injektionstiefe der eingebetteten Injektionsschicht 18, die in 3 gezeigt ist, auf Positionen verteilt, die tiefer liegen als die unteren Bereiche der Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16, wobei diese unteren Bereiche als Zentrum dienen. Die eingebettete Injektionsschicht 18 als zweiter Störstellenbereich wird dann mit dem unteren Bereich der Basis 2 als aktive Zone verbunden.
  • Die eingebettete Injektionsschicht 18 kann ausgebildet werden mittels Störstelleninjektion mit hoher Energie (Ioneninjektion mit hoher Energie), mittels Epitaxie-Schichtaufwachsen vom N-Typ, nachdem Störstellen injiziert worden sind, und dergleichen. Wenn die eingebettete Injektionsschicht 18 mittels des erstgenannten Prozesses ausgebildet wird, dann kann die Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 geringfügig einen P-Typ annehmen, es treten dann jedoch keine Probleme auf. Wenn die eingebettete Injektionsschicht 18 mittels des letztgenannten Prozesses ausgebildet wird, dann werden die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 ausgebildet, nachdem die eingebettete Injektionsschicht 18 ausgebildet worden ist.
  • Die Injektionsmenge (Injektions-Flächendichte) der eingebetteten Injektionsschicht 18 kann derart gewählt werden, dass sie vollständig verarmt, wenn eine Gegenspannung (Sperrspannung) von etwa der halben Nennspannung an die Halbleitereinrichtung angelegt wird. Die gewünschte Injektionsmenge der eingebetteten Injektionsschicht 18 beträgt etwa das 0,4-fache bis 0,9-fache der RESURF-Bedingung (reduced surface field, reduziertes Oberflächenfeld), die von dem Halbleitermaterial bestimmt wird. Es sei angemerkt, dass die RESURF-Bedingung ungefähr 1 × 1012 cm–2 in Si beträgt, und dass sie etwa 1 × 1013 cm–2 (für den Fall, dass die Aktivierungsrate 100% ist) in SiC vom 4H-Polytyp beträgt.
  • Es ist wünschenswert, dass sich die eingebettete Injektionsschicht 18 (zweiter Störstellenbereich) zur äußeren Seite des Schutzrings 16 hin erstreckt, um den unteren Endbereich auf der äußeren Seite des Schutzrings 16 (erster Störstellenbereich) zu schützen, welcher die Basis 2 als die aktive Zone von der am weitesten außenliegenden Seite aus umgibt.
  • Obwohl 3 den einen Querschnitt zeigt (Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1), kann eine Vielzahl von Orten mit der in 3 gezeigten Querschnittsstruktur im Abschlussbereich 3 vorgesehen sein, der die Basis 2 umgibt, wie es in 1 gezeigt ist. Das bedeutet: Die eingebettete Injektionsschicht 18 ist radial ausgebildet, und zwar ausgehend von der Basis 2, welche die aktive Zone ist.
  • Bei einem solchen Aufbau gilt Folgendes: Die Basis 2, die Schutzringe 11 bis 16 und die eingebettete Injektionsschicht 18 haben das gleiche Potenzial zu dem Zeitpunkt, in welchem die Vorspannung Null beträgt.
  • Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, gilt Folgendes: Wie es schematisch in 4 gezeigt ist, erstreckt sich die Verarmungsschicht ausgehend von der Fläche 20 eines PN-Übergangs, der die Grenze zwischen einem Bereich 19 vom P-Typ und dem Halbleitersubstrat 1 ist (Driftschicht).
  • Das bedeutet Folgendes: Von dem Zeitpunkt an, in welchem die Vorspannung Null beträgt, ist die Verarmungsschicht verbunden mit dem Schutzring 16, welcher der Schutzring ist, der auf der am weitesten außenliegenden Seite ausgehend von der Basis 2 angeordnet ist. Nachdem die Sperrspannung erhöht worden und die eingebettete Injektionsschicht 18 komplett verarmt ist, ist ein Teil der Schutzringe 11 bis 16 verarmt, so dass sich die Verarmung im Halbleitersubstrat 1 ausweitet.
  • Das bedeutet bei einem solchen Aufbau Folgendes: Der Schutzring, der keine Spannung hält, wird nicht ausgebildet, und zwar selbst dann nicht, wenn Störungen auftreten.
  • Die obigen Wirkungen können sogar dann erhalten werden, wenn – anstelle der eingebetteten Injektionsschicht 18 – die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 mit einer Störstellenschicht verbunden sind, die ein Gauß’sches Profil mit der maximalen Konzentration an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 aufweist. Sie können auch sogar dann erhalten werden, wenn die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 mit einer Störstellenschicht verbunden sind, die ein kastenförmiges Profil aufweist, bei welchem die Konzentration von der Oberfläche bis zu einer vorab festgelegten Tiefe konstant ist.
  • Es werden nachstehend die Wirkungen beschrieben, die dadurch erhalten werden, dass die eingebettete Injektionsschicht 18 mit dem oben beschriebenen retrograden Profil vorgesehen wird.
  • Die Konzentrationsdifferenz zwischen den unteren Bereichen der Schutzringe 11 bis 16 und der eingebetteten Injektionsschicht 18 können verringert werden, indem die Tiefe, bei welcher die eingebettete Injektionsschicht 18 die maximale Konzentration aufweist, in der Nähe des unteren Bereichs (Injektionstiefe, Tiefe des PN-Übergangs) der Schutzringe 11 bis 16 (ähnlich für die Basis 2) angeordnet ist, d. h. indem die eingebettete Injektionsschicht 18 innerhalb des Halbleitersubstrats 1 angeordnet ist.
  • Verglichen mit der konstanten Injektionsmenge ist die Konzentrationsdifferenz mit der Konzentration der unteren Bereiche der Schutzringe 11 bis 16 kleiner in dem Fall, in welchem die Injektionsschicht das retrograde Profil aufweist, d. h. die eingebettete Injektionsschicht 18, als in dem Fall, in welchem die Injektionsschicht das Gauß’sche Profil oder das kastenförmige Profil aufweist.
  • Folglich wird die Veränderung der Konzentration an der Schichtgrenze auch in dem Fall kleiner, in welchem die eingebettete Injektionsschicht 18 das retrograde Profil aufweist, und eine steile Veränderung der Konzentration kann gemindert werden.
  • Daher kann bei dem Aufbau der vorliegenden Erfindung die Konzentration des elektrischen Felds an den unteren Endbereichen der Basis 2 und der Schutzringe 11 bis 16 wirkungsvoll verringert werden.
  • Ferner wird normalerweise eine Passivierungsschicht 21 im Abschlussbereich ausgebildet (siehe 5), und große elektrische Felder neigen dazu, sich leicht an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Passivierungsschicht des am weitesten außenliegenden Teils des Abschlussbereichs auszubilden, wenn negative Ladungen zur Oberfläche der Passivierungsschicht 21 adsorbieren.
  • Im Ergebnis können gegebenenfalls eine Verschlechterung und ein Zusammenbrechen der Passivierungsschicht 21 auftreten. Dies wird insbesondere in dem Halbleiter mit großer Bandlücke zum Problem, wie z. B. bei SiC, in welchem das elektrische Feld zum Durchbruch durch die Isolierung groß ist (da das elektrische Feld zum Durchbruch durch die Isolierung des Halbleiters mit großer Bandlücke und die Passivierungsschicht die gleiche Größenordnung annehmen). Dies ist in Form einer Schwankung oder einer Verringerung der elektrischen Charakteristiken der Halbleitereinrichtung zu beobachten.
  • Gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung gilt – wie in 5 gezeigt – Folgendes: Die Konzentration der Substratoberfläche der eingebetteten Injektionsschicht 18 ist sehr niedrig. Daher kann das elektrische Feld abgeschwächt werden, das sich an der Substratoberfläche 23 (Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der Passivierungsschicht) unmittelbar oberhalb eines Endes 22 auf der äußeren Seite der eingebetteten Injektionsschicht 18 ausbildet. Folglich können die Durchbruchspannung und die Zuverlässigkeit verbessert werden, und zwar gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt die Simulationsergebnisse, die die Wirkungen der zwei elektrischen Feldabschwächungen darstellen. Hierbei ist das Halbleitersubstrat SiC vom 4H-Polytyp (kritisches elektrisches Feld bei SiC vom 4H-Polytyp ist 3 MV/cm). Das Simulationsmodell geht von einem Produkt mit einer Stehspannung von 1,7 kV aus, und die elektrische Feldstärke, die in der Zeichnung gezeigt ist, hat einen Wert von 1,7 kV.
  • Wie in 6 gezeigt, kann das „maximale elektrische Feld innerhalb des Halbleitersubstrats” durch den Aufbau der vorliegenden Erfindung (Aufbau mit der eingebetteten Injektionsschicht) wirkungsvoll gedämpft werden.
  • Genauer gesagt: Das maximale elektrische Feld kann auf 2,68 MV/cm gedämpft werden, wenn der Aufbau der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und zwar insbesondere dann, wenn die eingebettete Injektionsschicht 18 tiefer als die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 angeordnet wird. Es nimmt einen niedrigeren Wert an, wenn die Injektionsschicht selbst nicht vorgesehen ist (3,64 MV/cm) oder wenn die Injektionsschicht mit kastenförmigem Profil vorgesehen ist (2,72 MV/cm).
  • Es ist auch ersichtlich, dass auch das „elektrische Feld der Substratfläche am Ende der Abschlussstruktur” wirkungsvoll gedämpft werden kann.
  • Genauer gesagt: Das maximale elektrische Feld kann auf 0,67 MV/cm (1,05 MV/cm sogar dann, wenn Adsorptions-Aufladung vorliegt) gedämpft werden, wenn der Aufbau der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und zwar insbesondere dann, wenn die eingebettete Injektionsschicht 18 tiefer als die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 angeordnet wird. Es nimmt Wert kleiner als 0,77 MV/cm (1,19 sogar dann, wenn Adsorptions-Aufladung vorliegt) an, wenn die Injektionsschicht mit kastenförmigem Profil vorgesehen wird.
  • Insbesondere ist die Wirkung der Dämpfung des „elektrischen Felds der Substratfläche am Ende der Abschlussstruktur” groß. Solch eine Wirkung wird sogar dann aufrechterhalten, wenn negative Ladungen zur Oberfläche der Passivierungsschicht 21 hin adsorbiert werden. Dies ist eine Charakteristik, die nicht im Patentdokument 2 und Patentdokument 3 beschrieben wird.
  • Die angemessene Injektionsmenge der eingebetteten Injektionsschicht 18 beträgt um das 0,4-fache bis 0,9-fache in Bezug auf 1 × 1013 cm–2, was die RESURF-Bedingung des SiC vom 4H-Polytyp ist (siehe 16). Falls die Injektionsmenge größer ist, wird die Konzentration des elektrischen Felds an der äußeren Seite der eingebetteten Injektionsschicht 18 signifikant groß, und der Widerstand in Bezug auf die negative Adsorptions-Aufladung verringert sich ebenfalls.
  • 16 zeigt das Simulationsergebnis, das den Zustand der Konzentration des elektrischen Felds in der eingebetteten Injektionsschicht 18 zeigt, wobei die vertikale Achse die elektrische Feldstärke (MV/cm) angibt, und wobei die horizontale Achse die Injektionsmenge (cm–2) der eingebetteten Injektionsschicht angibt.
  • Wie in 16 gezeigt, wird die maximale elektrische Feldstärke innerhalb des Halbleitersubstrats 1 minimal, wenn die Injektionsmenge der eingebetteten Injektionsschicht 18 0,9 × 1013 cm–2 beträgt. Das elektrische Feld an der Substratoberfläche des Endes der Abschlussstruktur wird größer, wenn die Injektionsmenge der eingebetteten Injektionsschicht 18 höher wird.
  • Wenn die Injektionsmenge der eingebetteten Injektionsschicht 18 einen Wert von 0,4 bis 0,9 × 1013 cm–2 besitzt (etwa das 0,4- bis 0,9-fache der RESURF-Bedingung), dann kann das maximale elektrische Feld innerhalb des Halbleiters auf einen Wert kleiner als oder gleich 3,0 MV/cm gedämpft werden. Das elektrische Feld der Substratoberfläche des Endes der Abschlussstruktur kann auf einen Wert kleiner als oder gleich groß wie die 1,5 MV/cm gedämpft werden.
  • Die Wirkungen in Bezug auf die Herstellung können ebenfalls erreicht werden gemäß dem Aufbau der vorliegenden Erfindung. Diese werden nachstehend beschrieben.
  • Da es das Hauptanliegen des Anordnens der eingebetteten Injektionsschicht 18 ist, die Basis 2 und die Schutzringe 11 bis 16 zu verbinden, sind die Auflösung und die Ausrichtungsgenauigkeit ausreichend, die mit der eingebetteten Injektionsschicht 18 zusammenhängt und einige wenige μm beträgt.
  • Daher kann die eingebettete Injektionsschicht auf einfache Weise ausgebildet werden, und zwar sogar dann, wenn der hochauflösende Schutzring wie in dem Halbleiter mit großer Bandlücke ausgebildet werden muss. Insbesondere wird eine Maske mit beträchtlicher Dicke verwendet, wenn die eingebettete Injektionsschicht mittels der Störstelleninjektion mit hoher Energie ausgebildet wird. Probleme mit der Auflösung treten jedoch bei einem solchen Aufbau nicht auf.
  • Ferner gilt bei diesem Aufbau Folgendes: Da das Konzentrationsprofil mit einem Spitzenwert der eingebetteten Injektionsschicht 18 aktiv verwendet werden kann, sind die Störstellendiffusion mittels der Temper-Behandlung und die Vielzahl von Störstelleninjektionen mit verschieden großer Injektionsenergie nicht nötig.
  • Das heißt, der Aufbau ist extrem wirkungsvoll in Bezug auf einen Halbleiter mit großer Bandlücke, wie etwa SiC, bei welchem die Störstellen-Diffusionslänge extrem kurz ist. Außerdem kann sogar bei Materialien wie z. B. Si, bei welchen Störstellendiffusion möglich ist, der Aufbau verwendet werden, um die Taktzeit zu verringern, z. B. durch eine Verkürzung der Zeit für das Tempern.
  • Die oben beschriebenen Wirkungen sind ebenfalls anwendbar auf Modifikationen der vorliegenden Erfindung, die nachstehend beschrieben werden.
  • Erste Modifikation
  • 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine Abschlussstruktur 103 gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Die Basis 2 und ein Teil der Schutzringe, die Schutzringe 11 bis 13, sind mit einer eingebetteten Injektionsschicht 24 verbunden. Die Schutzringe 14 bis 16 der Schutzringstruktur 17 sind nicht mit der eingebetteten Injektionsschicht 24 verbunden.
  • Dieser Aufbau kann verwendet werden, um die Ausdehnung der Verarmungsschicht zu mindern, wenn die Verarmungsschicht dazu neigt, sich zu weit zur äußeren Seite hin auszudehnen, wenn alle Schutzringe verbunden sind.
  • Zweite Modifikation
  • 8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Abschlussstruktur 104 gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Zusätzlich zu der eingebetteten Injektionsschicht 18 der Abschlussstruktur 101 der ersten Ausführungsform ist eine eingebettete Schutzringstruktur 28 (dritter Störstellenbereich) ausgebildet, der die eingebetteten Schutzringe 25 bis 27 enthält, die in der Oberflächenstruktur der Halbleiterschicht eingebettet sind, und zwar in einem Bereich auf der äußeren Seite in der Draufsicht auf die Schutzringstruktur 17 (erster Störstellenbereich), die die Basis 2 umgibt.
  • Die eingebetteten Schutzringe 25 bis 27 (dritter Störstellenbereich) vom zweiten Leitfähigkeitstyp sind innerhalb des Halbleitersubstrats 1 eingebettet, und zwar auf ähnliche Weise wie die eingebettete Injektionsschicht 18 (eingebettet in der gleichen Tiefe wie die eingebettete Injektionsschicht 18 in der Zeichnung). Sie sind mit einem Abstand voneinander ausgebildet, um die Schutzringstruktur 17 zu umgeben, wie es in der Zeichnung dargestellt ist.
  • Dieser Aufbau kann verwendet werden, um die Verarmungsschicht auszudehnen und um die Durchbruchspannung zu verbessern, wenn eine ausreichende Durchbruchspannung mit der Abschlussstruktur 101 nicht erreicht werden kann.
  • Die Spannung, die von der Schutzringstruktur 17 gehalten wird, kann auch der eingebetteten Injektionsschicht 18 und der eingebetteten Schutzringstruktur 28 (den eingebetteten Schutzringen 25 bis 27) zugewiesen werden, um die Konzentration des elektrischen Felds innerhalb des Halbleiters weiter zu mindern und die Durchbruchspannung zu erhöhen.
  • Wirkungen
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Halbleitereinrichtung Folgendes auf: die Basis 2 als die aktive Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, um das Halbleiterelement zu bilden; die Schutzringe 11 bis 16 als eine Vielzahl von ersten Störstellenbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, so dass sie jeweils die Basis 2 in der Draufsicht umgeben; und die eingebettete Injektionsschicht 18 als den zweiten Störstellenbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet ist, um zumindest zwei untere Bereiche der Vielzahl von Schutzringen 11 bis 16 zu verbinden.
  • Folglich gilt sogar dann, wenn die Schutzringe mit schmalem Intervall angeordnet sind, Folgendes: Die Halbleitereinrichtung mit hoher Durchbruchspannung und hoher Zuverlässigkeit kann zur Verfügung gestellt werden, indem die Eigenschaften der Schutzringstruktur 17 ausgenutzt werden, ohne die Injektionsschicht zu verwenden, die mit zufriedenstellender Positionsgenauigkeit ausgebildet wird.
  • Mit anderen Worten: Da es das Hauptanliegen des Anordnens der eingebetteten Injektionsschicht 18 ist, die Vielzahl von Schutzringen 11 bis 16 zu verbinden, ist die Auflösung und die Ausrichtungsgenauigkeit von einigen wenigen um ausreichend. Dadurch kann eine Halbleitereinrichtung mit großer Durchbruchspannung und hoher Zuverlässigkeit angegeben werden, ohne dass es nötig ist, die Injektionsschicht mit zufriedenstellender Positionsgenauigkeit auszubilden.
  • Die Schutzringe 11 bis 16, die mittels der eingebetteten Injektionsschicht 18 verbunden sind, haben gleiches Potenzial, bis die eingebettete Injektionsschicht 18 komplett verarmt ist. Im Ergebnis kann die Verarmungsschicht auf einfache Weise mit dem am weitesten außenliegenden Schutzring 16 verbunden werden. Folglich können eine hohe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden.
  • Außerdem wird das elektrische Feld an den unteren Endbereichen der Schutzringe 11 bis 16 abgeschwächt, die von der eingebetteten Injektionsschicht 18 bedeckt sind. Die Konzentration der eingebetteten Injektionsschicht 18 kann erhöht werden, und zwar in Abhängigkeit von der Tiefe (Injektionstiefe) der unteren Bereiche der Schutzringe 11 bis 16, und die Wirkung, dass das elektrische Feld abgeschwächt wird, kann verbessert werden.
  • Die eingebettete Injektionsschicht 18 kann ausgebildet werden, ohne dass eine Störstellendiffusion durch die Temper-Behandlung und eine Vielzahl von Störstelleninjektionen mit verschieden großer Injektionsenergie vonnöten sind. Mit anderen Worten: Es ist extrem wirkungsvoll, wenn es auf einen Halbleiter mit großer Bandlücke wie z. B. SiC angewendet wird, in welchem die Störstellen-Diffusionslänge extrem kurz ist. Sogar mit einem Material, wie z. B. Si, bei welchem die Störstellendiffusion ausgeführt werden kann, werden Wirkungen hinsichtlich einer Verkürzung der Taktzeit bei der Bearbeitung erreicht, z. B. durch eine Verkürzung der Zeit für das Tempern.
  • Da die eingebettete Injektionsschicht 18 im Abschlussbereich eingebettet ist, wird das elektrische Feld an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 des relevanten Bereichs gedämpft.
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebettete Injektionsschicht 18 als zweiter Störstellenbereich wird ausgehend von dem unteren Bereich der Basis 2 als aktive Zone verbunden. Folglich kann die Konzentration der eingebetteten Injektionsschicht 18 in Abhängigkeit von der Tiefe (Injektionstiefe) der unteren Bereiche der Schutzringe 11 bis 16 vergrößert werden, und die Wirkung, dass das elektrische Feld an den unteren Bereichen abgeschwächt wird, kann verbessert werden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebettete Injektionsschicht 18 als zweiter Störstellenbereich ist mit allen unteren Bereichen der Schutzringe 11 bis 16 als Vielzahl der ersten Störstellenbereiche verbunden. Folglich kann die Verarmungsschicht auf einfachere Weise mit dem am weitesten außenliegenden Schutzring 16 verbunden werden. Daher können eine hohe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebettete Injektionsschicht 18 als zweiter Störstellenbereich wird ferner an der äußeren Seite in der Draufsicht des Schutzrings 16 als erstem Störstellenbereich ausgebildet, der die Basis 2 als die aktive Zone von der am weitesten außenliegenden Seite in der Draufsicht umgibt. Folglich kann das elektrische Feld auf der äußeren Seite des Schutzrings 16, der die Basis 2 von der am weitesten außenliegenden Seite in der Draufsicht umgibt, gemindert werden.
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Halbleitereinrichtung ferner die eingebetteten Schutzringe 25 bis 27 als eine Vielzahl von dritten Störstellenbereichen vom zweiten Leitfähigkeitstyp auf, die in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet sind, so dass sie voneinander beabstandet sind und so dass sie jeweils die Schutzringe 11 bis 16 als die ersten Störstellenbereiche in der Draufsicht umgeben. Folglich kann sich die Verarmungsschicht weiter ausweiten, und es können eine hohe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebetteten Schutzringe 25 bis 27 als dritte Störstellenbereiche sind in einer Tiefe eingebettet, die gleich groß wie diejenige der eingebetteten Injektionsschicht 18 als zweiter Störstellenbereich ist. Folglich kann die Störstellenkonzentration an der Substratoberfläche des Abschlussbereichs verringert werden, und eine Verminderung des elektrischen Felds der Substratoberfläche kann erzielt werden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die Schutzringe 11 bis 16 als erste Störstellenbereiche sind an der Oberfläche der Halbleiterschicht ausgebildet. Folglich kann der Schritt des Ausbildens des Schutzrings reduziert werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • Aufbau
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die eine Abschlussstruktur 201 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine eingebettete Injektionsschicht 30 (zweiter Störstellenbereich) verbindet die unteren Bereiche der Schutzringe 11 bis 16. Im Unterschied zum Fall der ersten Ausführungsform ist jedoch die eingebettete Injektionsschicht 30 nicht mit der Basis 2 als aktive Zone verbunden.
  • Im Falle der ersten Ausführungsform gilt Folgendes: Da die Sperrschicht (Diffusionspotenzial) des PN-Übergangs in der eingebetteten Injektionsschicht niedriger ist als in der Basis 2, beginnt der Strom zunächst zu fließen, und zwar ausgehend von der eingebetteten Injektionsschicht 18, wenn eine Durchlassspannung angelegt wird (da die Störstellenkonzentration in der eingebetteten Injektionsschicht niedriger ist als in der Basis 2). Folglich tritt die Stromkonzentration am Ende 31 der Anodenelektrode auf (siehe 9), das der Abschlussstruktur am nächsten liegt. Dies kann gegebenenfalls zur thermischen Zerstörung führen.
  • Daher sind die eingebettete Injektionsschicht 30 und die Basis 2 getrennt, um den Strompfad von der eingebetteten Injektionsschicht 30 zur Anodenelektrode 4 zu unterbrechen, so dass der Strompfad nur in der Basis 2 besteht. Im Ergebnis kann die Stromkonzentration am Ende 31 der Anodenelektrode verringert werden.
  • Bei einem solchen Aufbau weist jedoch nicht nur die Schutzringstruktur 17 ein Floating-Potential auf, sondern es kann auch die Verminderung des elektrischen Felds am unteren Endbereich der Basis 2 unzureichend werden.
  • Folglich gilt wie bei einer Abschlussstruktur 202, wie sie in 10 gezeigt ist, Folgendes: Die Anodenelektrode 4 kann oberhalb des Schutzrings 11 (erster Störstellenbereich auf der am weitesten innenliegenden Seite) mit einer dazwischen angeordneten Isolierschicht 32 ausgeweitet werden, und eine Feldplatte 33 kann als Verdrahtungsschicht ausgebildet werden.
  • Bei einer solchen Struktur kann das Potenzial der Schutzringstruktur 17 dem Potenzial der Basis 2 angenähert werden, und die Konzentration des elektrischen Felds am unteren Endbereich der Basis 2 kann gemildert werden, und zwar zu dem Zeitpunkt, in welchem die Sperrspannung (Rückwärtsspannung) angelegt wird.
  • Bei der zweiten Ausführungsform gilt Folgendes: Es kann ein Aufbau ähnlich zu dem, der in der ersten Ausführungsform gezeigt ist, angewendet werden, z. B. der Aufbau, bei welchem ein Teil der Schutzringe wie in 7 gezeigt verbunden wird (beispielsweise der Aufbau, bei welchem mindestens zwei Schutzringe verbunden werden), oder es kann der Aufbau verwendet werden, bei welchem ferner der eingebettete Schutzring in dem Bereich auf der äußeren Seite in der Draufsicht, wie in 8 gezeigt, verwendet wird, und zwar auf der eingebetteten Injektionsschicht 30.
  • Wirkungen
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebettete Injektionsschicht 30 als zweiter Störstellenbereich wird nicht mit der Basis 2 als aktive Zone verbunden. Folglich kann die Stromkonzentration zur Anodenelektrode 4 in dem Zeitpunkt gedämpft werden, in welchem die Durchbruchspannung angelegt wird.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die Feldplatte 33 als Verdrahtungsschicht, die mit der Basis 2 als aktive Zone verbunden ist, wird auf dem Schutzring 11 als erster Störstellenbereich angeordnet, und zwar auf der am weitesten innenliegenden Seite, wobei die Isolierschicht 32 dazwischen angeordnet ist. Folglich kann die Konzentration des elektrischen Felds am unteren Endbereich der Basis 2 gemindert werden, und zwar zu dem Zeitpunkt, in welchem die Sperrspannung angelegt wird.
  • Dritte Ausführungsform
  • Aufbau
  • 11 ist eine Querschnittsansicht, die eine Abschlussstruktur 301 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine erste eingebettete Injektionsschicht 47 mit eingebetteten Schutzringen 40 bis 46 (erster Störstellenbereich), die tiefer injiziert und eingebettet sind als die Basis 2, ist auf der äußeren Seite in der Draufsicht auf die Basis 2 angeordnet ist. Die eingebetteten Schutzringe 40 bis 46 sind voneinander beabstandet, und sie sind derart ausgebildet, dass sie die Basis 2 in der Draufsicht umgeben.
  • Die unteren Bereiche der eingebetteten Schutzringe 40 bis 46 sind mittels einer zweiten eingebetteten Injektionsschicht 48 verbunden, die tiefer als die eingebetteten Schutzringe 40 bis 46 injiziert ist. Die erste eingebettete Injektionsschicht 47 hat eine maximale Konzentration in der Nähe des unteren Bereichs der Basis 2, und die zweite eingebettete Injektionsschicht 48 hat eine maximale Konzentration in der Nähe des unteren Bereichs der ersten eingebetteten Injektionsschicht 47.
  • Die Injektionsmenge der ersten eingebetteten Injektionsschicht 47 ist ungefähr das Einfache bis Zweifache der RESURF-Bedingung, und die Injektionsmenge der zweiten eingebetteten Injektionsschicht 48 ist ungefähr das 0,4- bis 0-9-fache der RESURF-Bedingung. Beim Herstellen eines solchen Aufbaus gilt Folgendes: Obwohl die Anzahl von Masken im Vergleich mit der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform zunimmt, können die Injektionsmenge und die Konzentration der ersten eingebetteten Injektionsschicht 47 in Bezug auf die Basis 2 stark verringert werden, wenn sie ausgebildet werden.
  • Daher kann die Konzentration des elektrischen Felds unterbunden werden, die von der Veränderung der Konzentration zwischen den unteren Endbereichen der eingebetteten Schutzringe 40 bis 46 und der zweiten eingebetteten Injektionsschicht 48 verursacht wird.
  • Da die Konzentration der ersten eingebetteten Injektionsschicht 47 relativ hoch ist im Vergleich zu der zweiten eingebetteten Injektionsschicht 48, ist die Wirkung, bei welcher die erste eingebettete Injektionsschicht 47 die Veränderung der Konzentration des unteren Endbereichs der Basis 2 mindert, größer als bei der ersten Ausführungsform und bei der zweiten Ausführungsform.
  • Bei einem solchen Aufbau gilt Folgendes: Die Konzentration des elektrischen Felds, die an dem unteren Endbereich auf der Innenseite des eingebetteten Schutzrings 40 auftritt (Bereich unterhalb der Basis 2) wird ein wenig größer als bei der ersten Ausführungsform und bei der zweiten Ausführungsform.
  • Folglich gilt wie bei der in 12 gezeigten Abschlussstruktur 302 Folgendes: Die Konzentration des elektrischen Felds, das an dem unteren Endbereich 49 auf der Innenseite des eingebetteten Schutzrings 40 auftritt, kann reduziert werden, indem eine zweite eingebettete Injektionsschicht 50 zur Innenseite des eingebetteten Schutzrings 40 ausgebildet wird.
  • Bei der dritten Ausführungsform gilt Folgendes: Da die Injektionsschicht (erste eingebettete Injektionsschicht 47), die eine mittlere Konzentration (oder eine Injektionsmenge) aufweist, ausgebildet wird, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Konzentration des elektrischen Felds auftritt, die von der steilen Veränderung der Konzentration herrührt, und zwar im Vergleich mit der ersten Ausführungsform und mit der zweiten Ausführungsform.
  • Modifikation
  • Bei der dritten Ausführungsform können auch die folgenden Modifikationen in Betracht gezogen werden.
  • 13 zeigt eine Modifikation (Abschlussstruktur 303) der dritten Ausführungsform. An einer Position, die tiefer liegt als die Basis 2, werden eine erste eingebettete Injektionsschicht 47 (erster Störstellenbereich) und eine zweite eingebettete Injektionsschicht 51 (zweiter Störstellenbereich) in der gleichen Tiefe ausgebildet.
  • 14 zeigt eine Modifikation (Abschlussstruktur 304) der dritten Ausführungsform. Eine erste eingebettete Injektionsschicht 77 mit eingebetteten Schutzringen 70 bis 76 und eine zweite eingebettete Injektionsschicht 81 sind im Wesentlichen in der gleichen Tiefe wie die Basis 2 ausgebildet. Die zweite eingebettete Injektionsschicht 81 (zweiter Störstellenbereich) und die Basis 2 (aktiver Bereich) sind verbunden.
  • Solche Aufbauten sind zweckmäßig, wenn die maximale Energie des Injektors niedrig ist, oder wenn die maximale Energie erforderlich ist, um die Basis auszubilden.
  • Bei der dritten Ausführungsform gilt Folgendes: Es kann ein Aufbau ähnlich dem, der in der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform gezeigt ist, angewendet werden, z. B. der Aufbau, bei welchem ein Teil der Schutzringe wie in 7, gezeigt verbunden wird, oder es kann ein Aufbau verwendet werden, bei welchem ferner der eingebettete Schutzring in dem Bereich auf der äußeren Seite in der Draufsicht, wie in 8, gezeigt verwendet wird, und zwar auf der zweiten eingebetteten Injektionsschicht. Der Aufbau, bei welchem die erste eingebettete Injektionsschicht und die Basis 2 voneinander beabstandet sind, kann ebenfalls verwendet werden.
  • Wirkungen
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebettete Injektionsschicht 51 als zweiter Störstellenbereich ist mit der Basis 2 als aktive Zone verbunden. Daher kann die Verarmungsschicht auch auf einfachere Weise mit dem am weitesten außenliegenden Schutzring 46 verbunden werden. Daher können eine hohe Durchbruchspannung und eine hohe Zuverlässigkeit erzielt werden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebetteten Schutzringe 40 bis 46 als erster Störstellenbereich sind an der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht ausgebildet. Folglich kann die Konzentration des elektrischen Felds weiter gemindert werden.
  • Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für die Halbleitereinrichtung Folgendes: Die eingebetteten Schutzringe 40 bis 46 als erster Störstellenbereich und die zweite eingebettete Injektionsschicht 51 als zweiter Störstellenbereich sind eingebettet und ausgebildet. Folglich kann die Störstellenkonzentration an der Substratoberfläche des Abschlussbereichs verringert werden, und das elektrische Feld der Substratoberfläche kann gemindert werden.
  • Vierte Ausführungsform
  • Aufbau
  • 15 ist eine Querschnittsansicht, die eine Abschlussstruktur 401 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 15 zeigt die Abschlussstruktur einer Diode mit Schottky-Sperrschicht, aber ein Aufbau ähnlich zu den Aufbauten, die bei der ersten bis dritten Ausführungsform gezeigt ist, kann ebenso verwendet werden, und zwar wenn eine Injektionsschicht 60 unterhalb des Endes einer Schottky-Elektrode 59 als Basis der PIN-Diode angeordnet wird.
  • Die Modifikationen, die bei der ersten bis dritten Ausführungsform gezeigt sind, können auf die dargestellte Struktur mit einer Schutzringstruktur 67 angewendet werden, welche Schutzringe 61 bis 66 aufweist, und auf eine eingebettete Injektionsschicht 68 zum Verbinden von jedem der Schutzringe 61 bis 66.
  • Falls jedoch die Schottky-Sperrschicht niedriger ist als diejenige des PN-Übergangs, braucht der Aufbau der zweiten Ausführungsform nicht verwendet zu werden.
  • Andere Verwendungsbeispiele
  • Bei der ersten bis vierten Ausführungsform war die Anzahl von Schutzringen fest, aber die Anzahl von Schutzringen verändert sich in Abhängigkeit von der zu erzielenden Durchbruchspannung, der Ringbreite der einzelnen Schutzringe, und dem Intervall der einzelnen Schutzringe. Allgemein wird eine größere Anzahl von Schutzringen benötigt, wenn die Durchbruchspannung größer wird. Dies ist ähnlich bei dem eingebetteten Schutzring, der beispielsweise gleichzeitig mit der in 8 gezeigten eingebetteten Injektionsschicht ausgebildet wird.
  • Bei der ersten bis vierten Ausführungsform ist die Schutzringstruktur dahingehend beschrieben, dass das Schutzring-Intervall allmählich breiter wird, während die Schutzringbreite konstant ist. Die Schutzringbreite kann jedoch auch allmählich verringert werden. Allgemein ist die Schutzringstruktur derart ausgebildet, dass das Verhältnis „Schutzringbreite/Schutzring-Intervall” in Richtung der äußeren Seite kleiner wird.
  • Bei der ersten bis dritten Ausführungsform ist ein Aufbau beschrieben, der auf die PIN-Diode angewendet wird, die von dem Halbleitersubstrat vom N-Typ und der Injektionsschicht vom P-Typ gebildet ist. Es können jedoch sogar dann ähnliche Wirkungen erzielt werden, wenn der Leitfähigkeitstyp der gesamten Halbleitereinrichtung umgekehrt wird.
  • Ferner können ähnliche Wirkungen erzielt werden, wenn der Aufbau nicht bloß auf die PIN-Diode angewendet wird, sondern auch auf Transistoren, wie z. B. MOSFET, IGBT, BJT (Bipolar Junction Transistor, Bipoltartransistor) und dergleichen.
  • Bei der vierten Ausführungsform ist beschrieben, dass der Aufbau auf die Diode mit Schottky-Sperrschicht angewendet wird, die von dem Halbleitersubstrat vom N-Typ und der Schottky-Sperrschicht gebildet wird. Es können jedoch sogar dann ähnliche Wirkungen erzielt werden, wenn der Leitfähigkeitstyp der gesamten Halbleitereinrichtung umgekehrt wird.
  • Das Halbleitersubstrat ist nicht auf Si und SiC beschränkt, und es kann auch ein Halbleiter mit großer Bandlücke verwendet werden, z. B. ein Substrat, das aus einem Galliumnitrid-Material oder Diamant gebildet ist. Die optimale Injektionsmenge der eingebetteten Injektionsschicht wird von der dielektrischen Konstante und dem elektrischen Feld beim Isolationsdurchbruch des Halbleitermaterials bestimmt, das hauptsächlich verwendet wird.
  • Das Schaltelement und das Diodenelement, die von einem solchen Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet werden, weisen eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf. Folglich können sie im Vergleich mit Si miniaturisiert werden. Durch die Verwendung des miniaturisierten Schaltelements und des Diodenelements kann die Halbleitereinrichtung, die solche Elemente aufweist, miniaturisiert werden.
  • Infolge der hohen Wärmebeständigkeit können außerdem die Strahlungslamellen oder Strahlungsrippen des Kühlkörpers miniaturisiert werden, und es kann eine Kühlung nicht mittels Wasserkühlung, sondern mittels Luftkühlung durchgeführt werden. Daher kann die Halbleitereinrichtung weiter miniaturisiert werden.
  • Die Störstellen (Dotierstoffe), die bei der Injektion verwendet werden, können beliebige Substanzen sein, solange sie die zu aktivierenden Atome des Halbleitermaterials ersetzen, wie z. B. B (Bor), N (Stickstoff), Al (Aluminium), P (Phosphor), As (Arsen), In (Indium) und dergleichen.
  • Wenn jedoch die Störstellen eine große Diffusionslänge aufweisen, verläuft die Veränderung der Konzentration allmählicher an der Grenzfläche der Bereiche mit verschiedenen Injektionsmengen, und die Konzentration des elektrischen Felds wird gemindert.
  • Folglich können für den Fall eines Halbleitersubstrats vom N-Typ zufriedenstellendere Wirkungen erzielt werden, wenn B (Bor) und Al (Aluminium) injiziert werden, um die Injektionsschicht vom P-Typ auszubilden.
  • Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Materialqualität, das Material, die Implementationsbedingungen und dergleichen eines jeden Bestandteils beschrieben. Diese sind jedoch nur beispielhaft zu verstehen und sollen keine Einschränkungen auf die oben beschriebenen Bestandteile darstellen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die jeweiligen Ausführungsform frei kombiniert werden. Es können beliebige Bestandteile einer jeden Ausführungsform verändert werden, oder es können beliebige Bestandteile einer jeden Ausführungsform innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung weggelassen werden.
  • Während die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben worden ist, so ist die voranstehende Beschreibung in allen Belangen nur beispielhaft zu verstehen und nicht beschränkend. Es ist daher zu beachten, dass zahlreiche Modifikationen, die nicht dargestellt sind, konzipiert werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleitersubstrat
    2
    Basis
    3
    Abschlussbereich
    4
    Anodenelektrode
    5
    Kathodenelektrode
    11 bis 16
    Schutzring
    17
    Schutzringstruktur
    18
    eingebettete Injektionsschicht
    19
    Bereich vom P-Typ
    20
    Fläche des PN-Übergangs
    21
    Passivierungsschicht
    22
    Ende auf der äußeren Seite
    23
    Substratoberfläche
    24
    eingebettete Injektionsschicht
    25 bis 27
    eingebetteter Schutzring
    28
    eingebettete Schutzringstruktur
    30
    eingebettete Injektionsschicht
    31
    Ende der Anodenelektrode
    32
    Isolierschicht
    33
    Feldplatte
    40 bis 46
    eingebetteter Schutzring
    47
    erste eingebettete Injektionsschicht
    48
    zweite eingebettete Injektionsschicht
    49
    unterer Endbereich auf der Innenseite
    50
    zweite eingebettete Injektionsschicht
    51
    zweite eingebettete Injektionsschicht
    59
    Schottky-Elektrode
    60
    Injektionsschicht
    61 bis 66
    Schutzring
    67
    Schutzringstruktur
    68
    eingebettete Injektionsschicht
    70 bis 76
    eingebetteter Schutzring
    77
    erste eingebettete Injektionsschicht
    81
    zweite eingebettete Injektionsschicht
    100
    Diode
    101 bis 104
    Abschlussstruktur
    201
    Abschlussstruktur
    202
    Abschlussstruktur
    301 bis 304
    Abschlussstruktur
    401
    Abschlussstruktur

Claims (14)

  1. Halbleitereinrichtung, die Folgendes aufweist: – eine aktive Zone (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf einer Oberflächenschicht einer Halbleiterschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, um ein Halbleiterelement zu bilden; – eine Vielzahl von ersten Störstellenbereichen (11 bis 16) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die auf der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, so dass sie jeweils die aktive Zone (2) in der Draufsicht umgeben; und – einen zweiten Störstellenbereich (18) vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet ist, um zumindest zwei untere Bereiche der Vielzahl von ersten Störstellenbereichen (11 bis 16) zu verbinden.
  2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Störstellenbereich (18) mit der aktiven Zone (2) verbunden ist.
  3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Störstellenbereich (18) mit einem unteren Bereich der aktiven Zone (2) verbunden ist.
  4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Störstellenbereich (30) nicht mit der aktiven Zone (2) verbunden ist.
  5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Störstellenbereich (18) mit allen unteren Bereichen der Vielzahl von ersten Störstellenbereichen (11 bis 16) verbunden ist.
  6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 5, wobei der zweite Störstellenbereich (18) weiter zu einer äußeren Seite hin in der Draufsicht des ersten Störstellenbereichs (16) ausgebildet ist, der die aktive Zone (2) von einer am weitesten außenliegenden Seite in der Draufsicht umgibt.
  7. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Störstellenbereich (18) eine Störstellenkonzentration aufweist, die niedriger ist als die des ersten Störstellenbereichs (11 bis 16).
  8. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Vielzahl von dritten Störstellenbereichen (25 bis 27) vom zweiten Leitfähigkeitstyp aufweist, die in der Oberflächenschicht der Halbleiterschicht derart eingebettet sind, dass sie voneinander beabstandet sind und sie jeweils die ersten Störstellenbereiche (11 bis 16) in der Draufsicht umgeben.
  9. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, wobei die dritten Störstellenbereiche (25 bis 27) in einer Tiefe eingebettet sind, die gleich derjenigen des zweiten Störstellenbereichs (18) ist.
  10. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Störstellenbereiche (11 bis 16) auf der Oberfläche der Halbleiterschicht ausgebildet sind.
  11. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Verdrahtungsschicht (33) aufweist, die mit der aktiven Zone (2) auf dem ersten Störstellenbereich (11) auf einer am weitesten innenliegenden Seite über eine dazwischen angeordnete Isolierschicht (32) verbunden ist.
  12. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten Störstellenbereiche (40 bis 46) derart ausgebildet sind, dass sie in der ersten Oberflächenschicht der Halbleiterschicht eingebettet sind.
  13. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 12, wobei die ersten Störstellenbereiche (40 bis 46) derart ausgebildet sind, dass sie in einer Tiefe eingebettet sind, die gleich derjenigen des zweiten Störstellenbereichs (51) ist.
  14. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbleitereinrichtung eine Diode mit Schottky-Sperrschicht ist, und wobei ein Ende der aktiven Zone eine Injektionsschicht (60) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, die an einem Ende einer Schottky-Elektrode angeordnet ist.
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