DE2500775C3

DE2500775C3 - Hochspannungsfestes planeres Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2500775C3
Application number: DE2500775A
Authority: DE
Inventors: Yutaka Misawa; Hideyuki Yagi; Yasumichi Yasuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-01-11
Filing date: 1975-01-10
Publication date: 1979-09-20
Also published as: DE2500775B2; DE2500775A1; JPS50106565A; US3984859A; JPS5631898B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hochspannungsfestes planares Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Patentanspruch'· 1 beschriebenen, aus der DE-OS 17 89 043 bekannten Art.
Nach der Art der Ausbildung der pn-Übergänge eines Halbleiterbauelementes unterscheidet man bei solchen Bauelementen Planarstrukturen, Mesastrukturen und Kegelstumpfstrukturen. Die Planarstrukturen sind dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der pn-Übergänge in einer der Hauptoberflächen des Halbleitersubstrates freiliegen. Die Mesastrukturen sind dadurch gekennzeichnet, daß diese Enden der pn-Übergänge in einer eingeätzten Oberfläche im Randbereich einer der Hauptoberflächen des Substrats freiliegen. Die Kegelstumpfstrukturen sind dadurch gekennzeichnet, daß

diese Enden der pn-Übergänge in den Seitenflächen freiliegen, die die beiden Hauptoberflächen des Substrats miteinander verbinden, wobei diese Seitenflächen in einer Reihe von Bauelementen den pn-Übergang schräg schneiden und in einer Reihe von Bauelementen rechtwinklig schneiden. Die Planarstrukturen und die Mesastrukturen sind insbesondere dann geeignet, wenn eine Zahl einzelner Halbleiterbauelemente durch Zerteilen eines größeren Halbleiterscheibchens hergestellt werden sollen. Halbleiterbauelemente mit Planarstruktur und Mesastruktur werden im wesentlichen nur in Niederlastbereichen eingesetzt. Die Kegelstumpfstrukturen sind dagegen typisch für ausgesprochen hoch belastbare Halbleiterbauelemente. Sie sind im Vergleich zu den Bauelementen mit Planarstruktür und Mesastruktur durch Halbleitersubstrate mit relativ großer Oberfläche gekennzeichnet. Fabrikationstechnisch sind die Planarstrukturen am einfachsten herstellbar, da sie lediglich die Durchführung von Diffusionsoperationen erfordern. Zur Herstellung von Mesastrukturen müssen bereits zusätzlich Tiefenätzungen durchgeführt werden. Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit Kegelstumpfstruktur müssen darüber hinaus die Seitenflächen jedes einzelnen Bauelementes seitlich abgeschrägt werden. Der Herstel-

b^r> lungsaufwand nimmt also von den Planarstrukturen über die Mesastrukturen zu den Kegelstumpfstrukturen zu.

Auf der anderen Seite unterliegen aber die in den

Oberflächen der Halbleitercubstrate freiliegenden pn-Übergänge atmosphärischen Einflüssen. Sie müssen durch eine Abdeckung aus isolierendem Material gegen diese Einflüsse geschützt und stabilisiert werden. Diese isolierenden Überzüge werden häufig als Passivierungsschichten bezeichnet Bei der Herstellung von Planarstrukturen und Mesastrukturen können die Passivierungsschichten vor dem Zerteilen des großen HaIbleiterscheibchenii in die einzelnen Bauelemente aufgebracht werden. Herstellungstechnisch wird daher für die Bildung der Passivierungsschichten in diesen Strukturen ein hoher Wirkungsgrad erzielt Die Kegelstumpfstrukturen erfordern dagegen das Aufbringen der Passivierungsschichten auf die einzelnen Bauelemente nach dem Zerteilen des großflächigen Halbleiterscheibchens. Zur genauen Aufbringung der Passivierungsschicht auf die kleinflächigen Halbleiterbauelemente wird ein hohes Maß an technischer Ausrüstung, Erfahrung und Arbeit benötigt. Hinsichtlich des Wirkungsgrads der fabrikationstechnischen Herstellung sind die Kegelstumpfstrukturen also den Planarstrukturen und den Mesastrukturen unterlegen.

Auf der anderen Seite zeichnen sich aber die Kegelstumpfstrukturen durch eine außerordentlich hohe Spannungsfestigkeit aus. Durch die positive Abschrägung der Seitenflächen des Bauelementes, in denen der pn-Obergang freiliegt, wird eine im Querschnitt parallel zum pn-übergang relativ große Fläche des stark dotierten Bereiches verfügbar. Der Neigungswinkel der Schrägflächen beträgt 15—60° zum pn-Übergang. Bei Einstellung dieser Winkel braucht noch keine wesentliche Dimensionsvergrößerung des Halbleitersubstrats in Kauf genommen zu werden.

Die Spannungsfestigkeit der Mesastrukturen ist geringer als diejenige der Kegelstumpfstrukturen, da die Oberflächen, in denen die pn-Übergänge freiliegen, negative Abschrägungen aufweisen. Die Schrägflächen sind so ausgebildet, daß die Querschnittsfläche des höher dotie "ten Bereiches parallel zum pn-übergang kleiner wird. Mit Bauelementen mit Mesastruktur können Spannungsfestigkeiten bis zu fast 900 V erhalten werden. Zur Erzielung noch höherer Spannungsfestigkeiten muß der Neigungswinkel der Schrägfläche an der Stelle, an der der pn-Übergang freiliegt, verkleinert werden. Ein typisches Merkmal f.ir Strukturen mit negativ abgeschrägten Seitenflächen, in denen die Ränder von pn-Übergängen freiliegen, ist, daß die Spannungsfestigkeit mit abnehmendem Neigungswinkel der Schrägfläche gegenüber dem pn-Übergang zunimm;. Aus diesem Grund ist es beispielsweise bei der Herstellung von Thyristoren mit positiv und negativ abgeschrägten Seitenflächen der pn-Übergänge erforderlich, den Neigungswinkel für die positive Schrägfläche und denjenigen für die negative Schrägfläche unterschiedlich auszubilden. Während die Neigungswinkel für die positiven Schrägflächen, wie bereits zuvor erwähnt, im Bereich von 15—60° liegen, liegt der Neigungswinkel für die negativen Schrägflächen bei 1 —2°. Dieser Wert gilt ganz allgemein für Mesastruktu- mi ren, so daß diese, wenn sie für hohe Lastströme eingesetzt werden sollen, relativ großflächige Halbleitersubstrate erfordern. Selbst dann liegen die er/.ielbaren Spannungsfestigkeiten jedoch noch immer unter den angestrebten Werten. h>

Die pn-Übergänge der Planarstrukturen weisen auf der anderen Seite Krü rmungsberciche auf, in denen hohe elektrische Feldkonzentrationen auftreten. Außerdem sind in den Planarstrukturen die Störstellenkonzentrationen 211 beiden Seiten der freiliegenden Enden des pn-Überganges relativ hoch, so daß sich die Sperrschicht um diese freiliegenden Bereiche über eine nur relativ kleinere Fläche erstreckt Planarstrukturen mit ausgesprochen hoher Spannungsfestigkeit sind daher kaum herstellbar. Die maximale Spannungsfestigkeit, die mit Planarstrukturen erhalten werden kann, liegt üblicherweise im Bereich von 300—400 V. Sollen Planarstrukturen dennoch bei höheren Spannungen betrieben werden, so muß um die freiliegenden Ränder des pn-Überganges ein Feldabschirmungsring ausgebildet werden, der den pn-Übergang in einigem Abstand umgibt Durch eine solche Feldbegrenzung kann die Spannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelementes mit Planarstruktur je Ring noch einmal um etwa maximal 300—400 V erhöht werden, so daß je nach der für das einzelne Bauelement geforderten Spannungsfestigkeit eine entsprechende Anzahl von Feldbegrenzungsringen vorzusehen ist. Je höher die vom Bauelement geforderte Spannungsfestigkeit also wird, um Sw mehr Feldbegrenzungsringe müssen vorgesehen sein, was dazu führt daß bereits sehr schnell sehr großflächige Halbleiitersubstrate erforderlich sind.

Die pn-Übergänge der Planarstrukturen werden üblicherweise durch selektive Diffusion unter Verwendung einer Oxidschicht als Maske durchgeführt, die auf der Oberfläche des Halbleiterscheibchens aufgebracht ist. Diese Oxidmasken sind jedoch kaum porenfrei herzustellen, so daß bei der selektiven Diffusion stets auch Dotierungsmaterial durch die feinen durchgehenden Poren in jene Substratbereiche eindiffundiert, die nicht dotiert werden und einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen sollten. Beim Auftreten einer solchen unbeabsichtigten Porendiffusion zwischen einem pn-Übergang und einem Feldabschirmungsring kann sich die Sperrschicht durch die Dotierung des zwischenliegenden Substrats nicht mehr bis zum Feldabschirmungsring ausbreiten. Der Durchschlag erfolgt über die unbeabsichtigten Porendiffusicnsbereiche, so daß effektiv eine spürbare Verminderung der Spannungsfestigkeit auch der mit Feldabschirmungsringen versehenen Planarstrukturen in Kauf genommen werden muß.

Weiterhin wird in Halbleiterbauelementen mit Planarstruktur der als Diffusionsmaske verwendete Oxidüberzug üblicherweise auch ohne weitere Nachbearbeitung als Passivierungsschicht verwendet. Weist eine solche Oxidschicht die beschriebenen Nadelporen auf, so unterliegt das Halbleiterbauelement durch diese Poren hindurch auch dem Einfluß der Atmosphäre, wodurch ebenfalls auf die Dauer eine Verminderung der Spannungsfestigkeit eintritt.

Unter diesen Umständen vermag aber auch ein Vergießen der Bauelemente in Kunstharzen die Spannungsfestigkeit nicht zu erhöhen. Der Grund hierfür liegt im wesentlichen darin, daß die Dicke der als Maske und Schutzschicht verwendeten Oxidschicht begrenzt ist. Zuir einen neigen dickere Oxidschichten leicht zur Ausbildung von Rissen, zum anderen kann mit dicken Oxidschichten eine nur noch relativ ungenaue Maskengeometrie erzielt werden. Die au^r: den genannten Gründen in ihrer Dicke beschränkte Oxidschicht vermag jedoch nicht zu verhindern, daß sich das elektrische Feld bei Betriebsspannungen im Bereich von oberhalb etwa 400-500 V bis in Bereiche außerhalb der Oxidschicht erstreckt. Durch die Vergußmasse diffundiertes oder beim Vergießen eingeschlossenes Wasser

wird unter diesen Bedingungen durch das durch die Oxidschicht hindurchtretende elektrische Feld elektrolysiert. Die dabei entstehenden Ionen haften auf der Oberfläche der Oxidschicht und erzeugen Induktionskanäle bis auf den Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats hinab. Diese induzierten Kanäle wiederum verursachen im Bauelement Kriechströme, die ebenfalls die Spannungsfestigkeit der Bauelemente vermindern.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hochspannungsfestes planares Halbleiterbauelement zu schaffen dessen Spannungsfestigkeit langfristig stabil und gegen atmosphärische Einflüsse unempfindlich ist, und das vergleichsweise einfach, billig und rationell herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I genannten Maßnahmen gelöst, wobei es aus der US-PS 34 26 253

EH ^c!ch bekänn' '"■' l·***! nlannrpn Halhlpitprhaiiplpmpn-

ten zur Erhöhung der Oberflächendurchschlagsspannung eines in Sperrichtung gepolten pn-Überganges in der einen Hauptfläche des Halbleiterkörpers eine ringförmige Nut vorzusehen, in deren Boden oder Seitenwände der pn-übergang mündet.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.

Durch die Ringnut wird vor allem der unerwünschte Effekt, der durch eine Diffusion von Dotierungsmaterial durch die Nadelporen der öxidmaske hindurch zwischen dem ersten und dem zweiten Dotierungsbereich hervorgerufen wird, unterdrückt. Durch ein Ausfüllen der Nut mit einem isolierenden Material kann weiterhin eine außerordentlich dicke und von Nadelporen vollständig freie Passivierungsschicht auf den Oberflächenbereichen der pn-Übergangsränder geschaffen werden. Durch diese dicke Passivierungsschicht, die die Enden der pn-Übergänge schützt, ist das Bauelement praktisch vollkommen unempfindlich gegenüber der Atmosphäre. Selbst beim Vergießen des Bauelementes in einer Harzmasse tritt keine elektrische Feldkomponente aus der Passivierungsschicht aus. In die Vergubmasse eindittundiertes oder eingeschlossenes Wasser wird nicht polarisiert. Dadurch, daß die Sohle der Ringnut weniger tief unter der ersten Hauptoberfläche als die Sohlen des ersten und des zweiten Bereiches ist, wird auch die Ausdehnung der Sperrschicht des Haupt-pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem ersten Bereich nicht gestört oder blockiert. Der zweite Bereich kann seine Wirkung als feldbegrenzender Ring ungestört ausüben.

Bei Bauelementen der Erfindung mit mehr als nur einem zweiten Bereich liegt das Ende des parallel zur Hauptoberfläche verlaufenden pn-Überganges zwischen dem äußersten dieser zweiten Bereiche und dem Substrat so in der Seitenfläche des Außcnrandes des äußersten Bereiches frei, daß diesbezüglich eine Mesastruktur gebildet wird. Die Summe dieser Merkmale führt dazu, daß das Bauelement bei einer höheren Spannungsfestigkeit kleinere geometrische Abmessungen haben kann. Das Bauelement weist also die typischen Nachteile der bekannten Planarstrukturen nicht auf, beinhaltet aber alle wesentlichen Merkmale ihrer fertigungstechnischen Vorteile.

Ein weiterer Vorteil des Bauelementes liegt darin, daß Bereiches in einer der beiden Hauptoberflächen des Substrates verbleibt, wie es auch bei dem aus der DEOS 17 89 043 bekannten Halbleiterbauelement der Fall ist kann ein Induktionskanal, selbst wenn er ausgebildet wird, durch diesen Teil des zweiten Bereiches vollständig blockiert werden. Wenn der zweite Bereich nicht mehr in der Hauptoberfläche des Substrates freiläge, könnte sich ein Induktionskanal aufgrund der Abnahme der Störstellenkonzentration in der Oberfläehe des zweiten Bereiches ausbilden. Bei Ausbildung eines solchen Induktionskanals in der Nähe der Oberfläche des zweiten Bereiches würde jedoch dieser zweite Bereich praktisch wirkungslos.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist daß die mechanischen Spannungen in dem Isolationsmaterial, das die Ringnut füllt, vermindert werden können. Übliche elektrisch isolierende Substanzen in«;hp<:nnHprr Glas und anorganische Substanzen, die zur Bildung von Passivierungsschichten verwendei werden, besitzen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die größer als die Ausdehnungskoeffizienten des Halb leitersubstrates sind. Selbst bei breiten Ringnuten wire also aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ver haltens das Isolationsmaterial dazu neigen, sich von dei Oberfläche der Nut abzuschälen. Auch werden Rißbil düngen im Isolationsmaterial oder ein Biegen de; Halbleitersubstrats normalerweise nicht ausgeschlosser werden können. Überraschenderweise wurde jedoch festgestellt, daß bei minimaler Breite der Nut und einerr zweiten Dotierungsbereich, von dem ein Teil in dei Hauptoberfläche des Substrats stehen bleibt, die irr isolierenden Material aufgebaute mechanische Span nung auf ein zu vernachlässigendes Minimum reduzier bar ist.

Der zweite Bereich braucht nicht unbedingt als in siel vollständig geschlossener und durchgehender Ringbe reich ausgebildet zu sein, sondern kann beispielsweise auch eine in sich geschlossene Folge von Stücken vor Kreisringbögen bilden. Wichtig ist bei dieser Anord nung lediglich, daß bei Vorspannung des Haupt-pn Überganges in Sperrichtung die Sperrschicht selbs einen in sich geschlossenen Kreis Dilüet. hur aie Kingnu· selbst wird die Form eines unterbrochenen Kreise; vorgezogen.

« Das Bauelement kann als Diode, als Transistor odei als Thyristor oder unter Zugrundelegung einer anderer Schaltfunktion ausgebildet sein. Im Fall eines Thyristor; liegen die pn-Übergänge der Planarstruktur in jeder dei beiden Hauptoberflächen des Substrats. Dementspre chend sind vorzugsweise für einen Thyristor ' eid« Hauptoberflächen des Substrats mit zweiten Bereicher und den beschriebenen Ringnuten ausgerüstet.

Die Dicke der die Ringnuten und die Ausnehmunger bedeckenden isolierenden Schicht muß zumindest ausreichen, daß eine Polarisation durch elektrisch« Kriechfelder ausgeschlossen wird. Beim Füllen der Nu mit dem elektrisch isolierenden Material ist dies« Bedingung mit Sicherheit eingehalten. Vorzugsweisf hat die Isolatorschicht eine Dicke von mehr als 3 μπι, is jedoch dünner als der erste oder der zweite Bereich tie sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand vor Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zsich nungen näher beschrieben. Es zeigt

die Oberfiächenoxidschichi auf dem Substrat nicht ⁶⁵ Fig. 1 in Draufsicht ein Ausführurigsbeispie! dei

besonders dick zu sein braucht, so daß insbesondere die Elektroden leicht und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Da weiterhin ein Teil des zweiten Erfindung:

F i g. 2 einen Schnitt nach H-II in F i g. 1;

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin

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dung im Querschnitt;

F i g. 4a bis 4h im Querschnitt verschiedene Herstellungsstadien eines Bauelementes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

I· i g. 5a in graphischer Darstellung die Sperrspannung als F'unktion des Abstarilcs von einem zum aiuicren Feldbegrenzungsring und des Abstandes zwischen dem Feldbegrenzungsring und dem 1 laupt-pn-Übergang für eine Diode der einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 5b die gleiche Darstellung für eine Diode nach dem Stand der Technik.

In den F-" i g. I und 2 ist in Draufsicht und im Querschnitt als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein npn-Transistor auf einem n-Substrat 1 dargestellt. Die beiden Hauptoberflächen 11 und 12 des Substrats 1 liegen einander planparallel gegenüber. In einem abgegrenzten Bereich der iiaupiober fläche il iiügi der beispielsweise durch selektive Diffusion hergestellte p-leitendc Basisbercieh 13. Im Basisbereich 13 ist, vorzugsweise ebenfalls durch selektive Diffusion hergestellt, der η-leitende Emittcrbcrcieh 14 so angeordnet, daß eine seiner Grenzflächen in der Hauptoberfläche 11 freiliegt. Der Basisbereich 13 wird außen von einem ringförmigen p-Bcrcich 15 umschlossen, der als I eldbegrcnzungsring dient. Auf der gegenüberliegenden Hauptoberflächc 12 des Substrates 1 ist eine Schicht 16 mit hoher Störstcllenkonzentration ausgebildet. Der Ringbereich 15 ist innerhalb des Ausbreitungsbereiches uer Raumladungszone angeordnet, die sich um den pn-Übergang /ι zwischen dem n-Substrat 1 und der p-Basis 13 beim Durchbruch aufbaut. Dieser maximale Abstand des Ringbercichcs bestimmt sich nach der Ausdehnung der Raumladungszonc in der Hauptoberflächc 11.

Zwischen dem Flasisbereich 13 und dem Ringbereich 15 ist eine Ringnut 17 geschnitten, deren Sohle weniger tief unterhalb der Hauptoberfläche 11 als die unteren Grenzflächen des Basisbereichs 13 und des Ringbereichs 15 liegt. Die Ringnut 17 ist dabei so ausgebildet. Aiii Air· RänHpr i|p<. nn-1 IhrrpnniTS I, und des pn-Übcrgangcs /i zwischen dem Substrat 1 und dem Ringbereich 15 in der F lache der Ringnut 17 freiliegen. Außen herum um den Ringbereich 15 ist in die I laupioberfiächc 11 weiterhin eine ringförmige Ausnehmung 18 eingeschnitten, deren Sohle tiefer liegt als die untere Begrenzungsfläche des Ringbereichs 15. Das F'nde des Teils des pn-Überganges J₁. der dort parallel zur Hauptoberfläche 11 verläuft, liegt in der Oberfläche der Ausnehmung 18 frei. Die Ringnut 17 und die Ausnehmung 18 sind mit Glasmasse 2 und 3 gefüllt. Mit dem Emitterbereich 14 steht eine Emitterelektrode 4 im ohmschen Kontakt, während der ohmsche Kontakt zum Basisbereich 13 durch eine Basiselektrode 5 hergestellt wird. Auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche 12 wird der ohmsche Kontakt zum Substrat 1 durch eine Kollektorelektrode 6 hergestellt. Die verbleibenden freien Oberflächenbereiche der Hauptoberfläche 11 sind von einer Oxidschicht 7 bedeckt. Der so aufgebaute Transistor weist die vorstehend beschriebenen Vorzüge, insbesondere eine hohe Sperrspannung auf.

In der F i g. 3 ist im Querschnitt ebenfalls ein npn-Transistor nach einem anderen Ausführungsbcispiei der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch einen zweiten Feldbegrenzungsring 19. In den F* i g. 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugs/eichen gleiche Teile. Der Abstand zwischen dem Basisbcrcich 13 und dem inneren Ringbercich 15 ist gleich groß wie der entsprechende Abstand zwischen dem Basisbercieh 13 und dem einzigen Ringbereich 15 des in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels.

In dem in (-' i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand /wischen dem inneren Ringbereich 15 und dem äußeren Fangbereich 19 so festgelegt, daß sich die Sperrschicht, die sich beim Durchbruch des pn-Überganges /ι /wischen dem inneren Ringbercich 15 und

κι dem Substrat 1 aufbaut, nicht über den äußeren Fangbereich 19 hinaus erstrecken kann. Zwischen dem inneren und dem äußeren Ringbereich ist ein¹ Ringnut 20 geschnitten, deren Sohle weniger tief unterhalb der FlauptobeWläche als die Sohlen der Ringbereiche 15 und 19 liegt. Der pn-Übergang /ι und der pn-Übergang Ja zwischen dem äußeren Ringbereich 19 und dem Substrat I weisen Enden auf, die in der Oberfläche der ivingiiUi J.M irciiicgcn. c;r,c ririgicrrrügc Ausnehmung 21 läuft unmittelbar um den Außenrand des äußeren Ringbereichs 19 herum. Die Ausnehmung 21 ist tiefer geschnitten als die untere Begrenzungsfläche des Ringbereichs 19 tief ist. In der Oberfläche der ringförmigen Ausnehmung 21 liegt das Ende des Teils des pn-Überganges A frei, der dort parallel zur Hauptobe"fläche des Substrats, in der sämtliche Bereiche gebildet sind, verläuft. Die Ringnut 20 ist mit der Glasmasse 8 und die ringförmige Ausnehmung 21 mit der Glasmasse 9 gefüllt. Die Eigenschaften und Kenndaten dieser Struktur entsprechen denjenigen des

ίο im Zusammenhang mit den Fig. I und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, daß die Sperrspannung der in F" i g. 3 gezeigten Struktur höher als diejenige der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Struktur ist.

J5 In der F i g. 4 sind verschiedene Herstellungsstadien eines weiteren Ausführungsbcispicls des Bauelementes der Firfindting gezeigt. Die Struktur ist eine hochspannungsfestc Diode.

Auf einem großflächigen n-Substrat 51 wird auf einer

·«' der beiden Hauptoberflächen 511 eine Oxidschicht 52 gebildet ("ig. 4a). Zur Bildung einer η ♦-Schicht 513 wird in die gegenüberliegende Hauptoberfläche 512 beispielsweise Phosphor eindiffundiert. Auf der Schicht 513 wird anschließend eine Oxidschicht 53 aufgebracht.

⁴'' Anschließend wird eine p-Leitung erzeugende Dotierungssubsianz, beispielsweise Bor, flach und in hoher Konzentration in die Hauptoberfläche 511 eindiffundiet t. DiesL· Schicht 54 mit der hohen Störstellcnkonzentration wird üblicherweise als »Vorauftragsschicht«

5» bezeichnet (Fig. 4b). Nach dem Aufbringen der Vorauftraßsschicht 54 werden in der Hauptoberfläche 511 die Ringnuten 55 (551 und 552), vorzugsweise durch selektives Ätzen, ausgebildet. Durch die Nut 551 wird das Halbleitersubstrat gitterartig in mehrere Bereiche

^ unterteil!, von denen jeder mindestens eine Ringnut 552 cinschlieäl. Die Tiefe sowohl der Nut 551 als auch der Ringnut 552 ist jeweils tiefer als die Tiefe der Vorauf tragschicht.

Anschließend wird das Halbleitersubstrat in einer

w Atmosphäre erhitzt, die keine Bestandteile enthält, die den l.citfähigkeitstyp des Substrates beeinflussen. Bei dieser Wärmbehandlung diffundieren die Dotierungsatome der Vorauftragsschicht tiefer in das Substrat ein. Die Diffusion wird dabei so gesteuert, daß die

^b5 Diffusions.fronten tiefer in das Substrat einwandern als die tiefeste Stelle der Nuten 55. Auf diese Weise werden ein Diffusionsbereich, der im wesentlichen die Diodenfunktion ausübt, und ein Diffusionsbereich, der den

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ίο

Diodenbereich umschließt und als Feldabschirmungsring dient, in dem durch die Nut 551 abgegrenzten Bereich ausgebildet (Fig. 4d). Diejenigen Bereiche der Oxidschicht 59, die während der Wärmebehandlung zur Ausweitung der Diffusionsbereiche entsteht und die Oberflächen der Nuten 551 und 552 bedeckt, werden entfernt. Gleichzeitig wird die Sohle der Nut 551 so weit vertieft, daß sie ''cfer als die Sohle des den Feldabsehirmungsrir.g bildenden Diffusionsbereiches abgesenkt wird (Fig.4e). Alle Nuten werden elektrophoretisch mit Glaspulver gefüllt. Durch Sintern wird anschließend eine Glasschicht 56 hergestellt, die als Oberflächenpassivierungsschicht dient (Fig. 4f). Anschließend werden eine Anode 57 und eine Kathode 58 auf die entsprechenden Bereiche der Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats aufgebracht (Fig. 4g). Anschließend wird das Halbleiterscheibchen entlang den in Fig. 4g unterbrochen gezeichneten Linien geschnitten, wobei die in F i g. 4h gezeigte hochspannungsfeste Diode erhalten wird.

Durch das zuvor beschriebene Verfahren, nach dem zunächst die Nuten gebildet und dann die Diffusions-Vorauftragsschicht expandiert wird, wird vor allem der Vorteil bewirkt, daß die Stufe der selektiven Diffusion und die damit verbundene Stufe der Herstellung einer Maske für die selektive Diffusion entfallen können, die stets dann erforderlich sind, wenn Nuten nach der Herstellung planarer Übergänge durch vorangehende selektive Diffusion erzeugt werden müssen.

Überraschend und zunächst völlig unerwartet ist die Tatsache, daß die Abstände zwischen dem Haupt-pn-Übergang und dem Feldabschirrnungsring und zwischen den einzelnen Feldabschirmungsringen im Fall von mehreren solcher Ri 'ge spürbar verringert werden können. Diese Möglichkeit ist eine der hervorstechendsten Wirkungen, die darauf zurückzuführen sind, daß der Außenrand des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem äußersten feldbegrenzenden Ring in Mesastruktur ausgeführt sind.

In den F i g. 5a und 5b sind in graphischer Darstellung die Meßergebnisse an Planardioden mit drei feldbegrenzenden Ringbereichen dargestellt. In jeder der Figuren ist auf der Ordinate die Sperrspannung in Volt gegen die Abstände zwischen dem Haupt-pn-Übergang und dem innersten fcldbegrenzenden Ring und zwischen den feldbegrenzcnden Ringen selbst auf der Abszisse aufgetragen, und zwar für den Fall, daß der Leekstrom in Sperrichtung über einem vorbestimmten Wert, nämlich 100 μΑ, liegt. Die beiden Abstände sind einander gleich und sind von Prüfling zu Prüfling gleichzeitig um denselben Betrag vergrößert. Die in der K ig. 5a gezeigten Daten sind an einem Bauelement nach einem Ausführungsbeisprel der Erfindung gemessen, während die in der F i g. 5b gezeigten Daten an einer vollkommen planar ausgebildeten Struktur nach dem Stand der Technik gemessen sind. Eiin Vergleich beider Kurven zeigt deutlich, daß die Abmessungen des entsprechenden Bauelementes dem Ausführungsbeispiel der F.rfindung gegenüber dem Bauelement nach dem Stand der Technik wesentlich verkleinert werden können. Außerdem weist das Bauelement nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine deutlich höhere maximale Sperrspannung als das Bauelement nach dem Stand der Technik auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochspannungsfestes, planares Halbleiterbauelemer.t aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen, mit einem ersten, an die erste Hauptoberfläche angrenzenden Bereich eines zweiten Leitungstyps, der mit dem Substrat einen in die erste Hauptoberfläche mündenden pn-Überzug bildet, mit einem zweiten ringförmigen Bereich vom zweiten Leitungstyp, der um den ersten Bereich herum in einer solchen Entfernung von diesem angrenzend an die erste Hauptoberfläche angeordnet ist, daß der ringförmige Bereich innerhalb des Ausdehnungsbereiches der Raumladungszone des in Sperrichtung gepolten pn-Überganges zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat liegt, mit einer ersten Hauptelektrode, die mit einem ausgewählten Bereich der ersten Hauptoberfläche einen ohmschen Kontakt bi.Viet, und mit einer zweiten Hauptelektrode, die mir der zweiten Hauptoberfläche des Substrats einen ohmschen Kontakt bildet, d a durch gekennzeichnet, daß eine Ringnut

(17) in der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) zwischen dem ersten Bereich (13) und dem ringförmigen Bereich (15) vorgesehen ist, deren Sohle weniger tief unterhalb der ersten Hauptoberfläche als die unteren Grenzflächen des ersten Bereichs (13) und des ringförmigen Bereichs (15) liegt und so angeordnet ist, daß die Enden des pn-Übergan^es (J₃) zwischen dem Substrat (1) und dem ersten Bereich (13) und ein Ende des pn-Überganges (J3) zwischen dem Substrat (1) und dem ringförmigen Bereich (15) in der Oberfläche der Ringnut (17) freiliegen, daß eine. lusnehmung (18) im Außenrand des ringförmigen Bereiches (15) vorgesehen ist, die so geschnitten ist, daß das andere Ende der dort parallel zur ersten Hauptoberfläche verlaufenden pn-Überganges (fj) zwischen dem Substrat (1) und dem ringförmigen Bereich (15) in der Oberfläche der Ausnehmung (18) freiliegt, und daß ein elektrisch isolierendes Material (2, 3) die Oberflächen der Ringnut (17) und der Ausnehmung

(18) bedeckt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem mehrere ringförmige Bereiche des zweiten Leitungstyps vorgesehen sind, die angrenzend an die erste Hauptoberfläche und konzentrisch um den ersten Bereich herum so angeordnet sind, daß der äußerste ringförmige Bereich innerhalb des Ausdehnungsbereichs der Raumladungszone des in Sperrrichtung gepolten pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem ersten Bereich liegt, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen den ringförmigen Bereichen (15,19) Ringnuten (20) so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Sohlen dieser Ringnuten (20) weniger tief unterhalb der ersten Hauptoberfläche also die unteren Grenzflächen des ersten Bereichs (13) und der ringförmigen Bereiche (15,19) verlaufen und alle Enden mit Ausnahme des äußersten Endes aller pn-Übergänge (Jj, Ja) zwischen den ringförmigen Bereichen (15, 19) und dem Substrat (1) in den Oberflächen der Ringnuten (17, 20) freiliegen, daß die Ausnehmung (21) im Außenrand des äußersten der ringförmigen Bereiche

(19) vorgesehen ist und daß das elektrisch isolierende Material (2,3,9) die Oberflächen aller Ringnuten (17, 20) und die Oberfläche der Ausnehmung (21)

bedeckt (F ig. 3).

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des pn-Überganges (J\) zwischen dem ersten Bereich (13) und dem Substrat (1) und die Enden aller pn-Übergänge (Ji. Js. J*) zwischen den ringförmigen Bereichen (15, 19) und dem Substrat (1) mit Ausnahme des äußersten Endes des äußersten ringförmigen Bereiches (19) in den Sohlen der Ringnuten _ΛΊ7, 20) freiliegen.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Material (2,3,9) Glas ist

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (18, 21) eine Nut ist, deren Sohle tiefer unterhalb der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) als die untere Grenzfläche des ringförmigen Bereichs (15) bzw. der ringförmigen Bereiche (15,19) Hegt.