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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Randabschluss für ein beidseitig
sperrendes Leistungshalbleiterbauelement, mit einem Halbleiterkörper des
einen Leitungstyps, der zwei zueinander entgegengesetzte Hauptoberflächen hat,
einem im Bereich der ersten Hauptoberfläche in den Halbleiterkörper eingebetteten
ersten Gebiet des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten
Leitungstyps, mindestens einem im ersten Gebiet vorgesehenen zweiten
Gebiet des einen Leitungstyps, einem im Bereich der zweiten Hauptoberfläche vorgesehenen
dritten Gebiet des anderen Leitungstyps und wenigstens einer ersten
Elektrode auf der ersten Hauptoberfläche sowie einer zweiten Elektrode
auf der zweiten Hauptoberfläche,
wobei sich vom Rand des dritten Gebiets eine erste Zone des anderen
Leitungstyps und vom Rand des ersten Gebiets eine zweite Zone des
anderen Leitungstyps in den Halbleiterkörper erstrecken, ohne sich
zu berühren.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Randabschluss
für eine
Diode mit einem Halbleiterkörper
des einen Leitungstyps, der zwei zueinander entgegengesetzte Hauptoberflächen hat,
einem im Bereich der einen Hauptoberfläche in den Halbleiterkörper eingebetteten
Gebiet des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps
und wenigstens einer Elektrode auf der einen Hauptoberfläche sowie
einer weiteren Elektrode auf der anderen Hauptoberfläche. Schließlich betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer n-leitenden Zone
als die erste und/oder zweite Zone bzw. die wenigstens eine Zone
eines Randabschlusses der vorstehend genannten Art in einem p-leitenden
Halbleiterkörper.
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Der
Randabschluss von Leistungshalbleiterbauelementen ist für deren
Spannungsfestigkeit von entscheidender Bedeutung: Er ist so zu gestalten, dass
die Bereiche höchster
elektrischer Feldstärke möglichst
in den Zellenbereich des Leistungshalbleiterbauelementes verlagert
sind, so dass ein elektrischer Durchbruch dort und nicht im Randbereich
des Leistungshalbleiterbauelementes auftritt.
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Grundsätzlich kann
ein Randabschluss entweder durch mechanische Bearbeitungsmethoden, wie
beispielsweise negative und/oder positive Winkel der Oberfläche des
Leistungshalbleiterbauelementes im Randbereich, oder aber über das
laterale und vertikale Design von Dotierungsprofilen im Randbereich gebildet
werden.
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Bei
Dotierungsprofilen im Randabschluss von planaren, bipolar sperrenden
Leistungshalbleiterbauelementen werden bevorzugt sogenannte Trenndiffusionen
ausgeführt,
welche beispielsweise einen p-dotierten anodenseitigen Emitter mit
dem Randbereich der Kathodenseite elektrisch verbinden, wobei sich
an diesen Bereich der Trenndiffusion kathodenseitig ein Randabschluss,
beispielsweise Feldringe oder eine sogenannte "ausgedehnte Basis" ("extended
base") für die Rückwärtssperrfähigkeit
anschließen.
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In
8 ist
ein derartiger herkömmlicher Randabschluss
(vgl.
DE 198 43 537
A1 ) für
einen Thyristor dargestellt. Der in
8 gezeigte
Thyristor ist bidirektional gleichermaßen sperrfähig und unidirektional leitfähig. Der
Thyristor besteht dabei aus einer n-dotierten Basiszone
1', einem p-dotierten Basisgebiet
2 an
einer Oberseite und einem p
+-dotierten Gebiet
3 an
einer Unterseite. Im oberen p-dotierten Gebiet
2 sind wiederum
n-dotierte Emittergebiete
4 enthalten. Auf der Oberseite
befindet sich eine Metallisierungsschicht
5, die eine elektrische
Verbindung zwischen den n-dotierten Emittergebieten
4 und
dem p-dotierten Basisgebiet
2 bewirkt, so dass insgesamt eine
Kathode
6 gebildet wird. Die nötige Gatestruktur des Thyristors
ist in
8 nicht dargestellt.
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Ebenfalls
auf der Oberseite befindet sich ein zweites p-dotiertes Gebiet 11, das mit
der Basiszone 1' und
dem ersten p-dotierten Gebiet 2 auf der Oberseite einen
lateralen Bipolartransistor bildet. Auf der Unterseite sind eine
weitere Metallisierungsschicht 7, die einen Anodenanschluss 8 des
Leistungshalbleiterbauelementes darstellt, und das p+-dotierte
Gebiet 3 vorgesehen.
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Außerdem liegt
ein weiteres p-dotiertes Gebiet 15 an der linken und rechten
Seite der Struktur in der Weise, dass eine Verbindung zwischen dem zweiten
p-dotierten Gebiet 11 an der Oberseite und dem p-dotierten
Gebiet 3 an der Rückseite
hergestellt wird. Dadurch wird im Rückwärtssperrfall die Raumladungszone
bis an die Oberseite gedrängt,
und ein frühzeitiger
Durchbruch bzw. ein erhöhter
Sperrstrom an den Flanken der Struktur, also an der Trenn- oder Sägekante,
wird verhindert.
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Durch
die Verbindung zwischen dem zweiten p-dotierten Gebiet 11 an
der Oberseite und dem p-dotierten Gebiet 3 auf der Unterseite
wird das Anodenpotential direkt an das zweite Gebiet 11 an
der Oberseite und damit an den lateralen Bipolartransistor aus dem
Gebiet 11, der Basiszone 1' und dem Gebiet 2 angelegt.
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Beim
Einsetzen eines Punch-Through- oder Avalanche-Durchbruchs wächst der
Strom durch den lateralen Bipolartransistor stark an und fließt über das p-dotierte
Gebiet 2 zur Kathode ab. Ein interner npn-Transistor aus
dem n-dotierten Emittergebiet 4, dem p-dotierten Gebiet 2 und
der n-dotierten Basiszone 1' steuert
auf, wenn der laterale Spannungsabfall unter dem Emittergebiet 4 größer als
die Flussspannung der Basis-Emitter-Diode
aus dem Gebiet 2 und dem Gebiet 4 ist, was zum
Zünden
der Vierschichtstruktur aus dem Emittergebiet 4, dem p-dotierten
Gebiet 2, der Basiszone 1' und dem p-dotierten Gebiet 3 führt. Die
Kippspannung des Thyristors kann somit von sehr kleinen Spannungen
bis zur Durchbruchspannung oder gewählt werden.
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Die
Ausbildung des weiteren p-dotierten Gebietes 15, die so
genannte Trenndiffusion, wird im Allgemeinen von beiden Seiten des
Halbleiterkörpers bzw.
der Siliziumscheibe aus durchgeführt,
da eine einseitige Durchdiffusion durch den Halbleiterkörper bzw.
die Siliziumscheibe mit einem erheblichen Mehraufwand an Diffusionszeit
verbunden ist. Dieser Mehraufwand liegt sogar in der Größenordnung
eines Faktors "4".
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Das
beidseitige Einbringen der Trenndiffusion erfordert jedoch ebenfalls
einen gewissen Aufwand, zumal die beiden Diffusionsgebiete zueinander
ausgerichtet sein sollen.
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Bei
der Implantation von Protonen werden bekanntlich im Siliziumgitter
eines Halbleiterkörpers Störungen hervorgerufen,
die unter bestimmten Ausheilbedingungen (typisch 200...550°C) zur Bildung von
Donatoren führen.
Einzelheiten dieser Vorgänge sind
beispielsweise in der Dissertation von Wolfgang Wondrak "Erzeugung von Strahlenschäden in Silizium
durch hochenergetische Elektronen und Protonen" der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität zu Frankfurt
am Main, 1985, und für
Wasserstoffeindiffusion in E.P. Neustroev, I.V. Antonova, V.P. Popov, D.V.
Kilanov, A. Misiuk: Enhanced Formation of Thermal Donors in Oxygen
Implanted Silicon Annealed at Different Pressures", Physica B, 293,
2000, S. 44-48 beschrieben.
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Durch
eine Protonenbestrahlung lassen sich ohne Einsatz eines Hochtemperaturprozesses über 600°C bei Dosen,
die über
1011 Protonen cm–2 liegen, Donatoren
erzeugen. Durch Veränderung
der Dosis kann dabei ohne weiteres die Stärke der Dotierung festgelegt
werden, während
mittels Einstellung der Energie der Protonen die Tiefe der Dotierung
festgelegt werden kann.
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Im
einzelnen beschreibt die
EP
1 156 533 A1 einen Randabschluss für ein Vertikalbauelement, bei dem
zwei Randzonen sich in den Innenbereich eines Halbleiterkörpers erstrecken
und dabei seitlich aber nicht zueinanderversetzt sind.
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Weiterhin
ist in der
DE 38 32
732 A1 eine Leistungshalbleiterdiode beschrieben, bei der
Feldringe den pn-Übergang
dieser Diode umgeben. Über eine
Eindringtiefe dieser Feldringe in den Halbleiterkörper sind
keine näheren
Angaben gemacht.
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Aus
der
DE 199 48 906
A1 ist ein Verfahren zum Herstellen tiefdiffundierter n-leitender
Gebiete in einem p-dotierten Siliziumsubstrat bekannt, bei dem für den n-Fremdstoff
Schwefel verwendet wird, das in Silizium relativ rasch diffundiert.
Der Schwefel wird dabei durch Innenimplantation in den Halbleiterkörper eingebracht.
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Die
EP 1 076 364 A2 offenbart
eine Leistungshalbleitervorrichtung, bei der – ähnlich wie in der
DE 38 32 732 A1 – Feldringe
den aktiven Bereich des Halbleiterbauelementes umgeben. Außerdem sind
eine Feldplatte und ein Kanal-Stopper vorgesehen.
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Schließlich ist
aus der
DE 100 25
567 A1 ein Verfahren zum Herstellen tiefdotierter Gebiete
in einem Halbleiterkörper
bekannt, bei dem zur Herstellung von Kompensationszonen eine maskierte
Implantation von Protonen oder eine maskierte Eindiffusion von Wasserstoffatomen
vorgenommen wird. Auf einen Randabschluss wird hier nicht näher eingegangen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein beidseitig sperrendes
Leistungshalbleiterbauelement und eine Diode einen Randabschluss
zu schaffen, der sich durch eine hohe Spannungsfestigkeit auszeichnet,
einfach herstellbar ist und keine mechanischen Bearbeitungsmethoden
erfordert; außerdem
soll ein Verfahren zum Herstellen einer einen derartigen Randabschluss
bildenden n-leitenden Zone in einem Halbleiterkörper angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Randabschluss für ein beidseitig sperrendes
Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die erste Zone und die zweite Zone lateral um einen Abstand zueinander
versetzt sind. Bei einem Randabschluss für eine Diode der eingangs genannten
Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass sich vom Rand des Gebiets
wenigstens eine Zone des anderen Leistungstyps mit einer Eindringtiefe
von etwa 30-40% der Dicke des Halbleiterkörpers in diesen erstreckt. Weiterhin
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Herstellen einer n-leitenden
Zone dadurch gelöst,
dass im Bereich der herzustellenden Zone in den p-leitenden Halbleiterkörper Wasserstoffionen (Protonen)
durch ein- oder mehrstufige Bestrahlung mit gleichen oder unterschiedlichen
Energien derart eingebracht werden, dass die p-Dotierung im Innern des
Bereiches der herzustellenden Zone überkompensiert wird, so dass
nach einer Temperaturbehandlung die n-leitende Zone gebildet wird.
Diese Zone stellt dabei einen Randabschluss dar.
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Es
wird also zunächst
davon ausgegangen, für
einen Randabschluss bei einem Leistungshalbleiterbauelement die
Rückwärtssperrfähigkeit
dadurch zu gewährleisten,
dass anstelle der im Allgemeinen beidseitig durchgeführten Trenndiffusion
nur eine einseitige Diffusion vorzugsweise bis in etwa die Mitte
bzw. Hälfte
des Halbleiterkörpers
durchgeführt wird,
so dass eine im Querschnitt sich bogenförmig verjüngende, soganannte "zuckerhutförmige" Struktur entsteht,
die sich vom Rand beispielsweise eines anodenseitigen p-dotierten
Emittergebietes aus in die Tiefe erstreckt und sich in einem definierten
Abstand vom Rand des Bauelements befindet. Bei runden Bauelementen
ist diese Randabschluss-Struktur im Allgemeinen konzentrisch ausgebildet,
während sie
bei Chips deren Rechteckverlauf mit abgerundeten Ecken folgt.
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Durch
Simulationsrechnung kann gezeigt werden, dass sich allein auf diese
Weise die maximal erreichbare Durchbruch spannung eines eindimensionalen
pn-Überganges
realisieren lässt.
Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass
sich das Maximum der elektrischen Feldstärke weit unterhalb der Oberfläche des
Halbleiterkörpers
befindet, so dass Oberflächenladungen
auf diesem die Durchbruchspannung kaum beeinflussen.
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Weitere
Simulationsrechnungen zeigen, dass es für die angezielte Rückwärtssperrfähigkeit
im Allgemeinen ausreichend ist, wenn die Eindringtiefe der Zone
mit der "Zuckerhutstruktur" etwa 30 bis 40 der
Dicke des Halbleiterkörpers,
also der Scheibendicke, beträgt,
woraus sich eine erhebliche Ersparnis an Diffusionszeit gegenüber dem
herkömmlichen Randabschluss
der 8 ergibt. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, bei
gleicher Diffusionszeit mit Hilfe der Erfindung erheblich höhere Spannungsklassen
für das
Leistungshalbleiterbauelement zu erreichen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Randabschluss
für ein
beidseitig sperrendes Leistungshalbleiterbauelement wird auch der
für die
Vorwärtssperrfähigkeit
zuständige
pn-Übergang
mit einer Zone mit "Zuckerhutstruktur" versehen. Es liegt also
ein Randabschluss vor, bei dem vom Rand des dritten Gebiets die
erste Zone und vom Rand des ersten Gebiets eine zweite Zone sich
in den Halbleiterkörper
erstrecken, ohne einander zu berühren.
Der Mindestabstand zwischen den beiden Zonen in lateraler Richtung
wird dabei durch die Randbedingung festgelegt, dass der Verstärkungsfaktor
für den
aus diesen beiden Zonen und dem dazwischen liegenden Halbleiterkörper gebildeten
Teiltransistors nicht zu groß werden
darf, um die hiermit verbundene Reduktion der Sperrspannung bzw.
Kippspannung zu vermeiden. Vorzugsweise sollte dieser laterale Abstand daher
im Bereich von ein bis drei Diffusionslängen der freien Ladungsträger liegen.
Der erfindungsgemäße Randabschluss
mit den tiefdiffundierten beiden Zonen ist auch bei Diodenstrukturen
anwendbar, wobei in diesem Fall eine einzige diffundierte Zone ausreichend
ist.
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Als
Dotierstoff für
die Zonen kann neben Bor insbesondere auch Aluminium als p-dotierendes
Material eingesetzt werden. Aluminium ist dabei wegen seiner hohen
Diffusionskonstanten vorzuziehen. Vorteilhaft bei der Verwendung
von Aluminium als p-dotierendes Material ist auch die durch dieses
zu erreichende spezielle Form des Dotierungsprofils mit einem flachen
Gradienten, welcher aus der sich während des Eintreibschrittes
von Aluminium ergebenden Ausdiffusion resultiert. Für einen
n-dotierten Randabschluss in einem p-dotierten Grundmaterial wird
für die
Erzeugung der Zonen mit Zuckerhutstruktur vorzugsweise Selen oder
Schwefel verwendet. Es ist aber auch eine Dotierung mittels durch
Protonenbestrahlung erzeugter Donatoren möglich.
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Zur
Optimierung des Flächenbedarfs
ist es möglich,
oberflächennahe
Kanal-Stopper ("Channel-Stopper") einzusetzen. Ebenso
können
tiefliegende, beispielsweise durch Protonenbestrahlung erzeugte
Stoppzonen für
das elektrische Feld zu einer Feinoptimierung beitragen.
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Ein
Verfahren ermöglicht
eine wenig aufwändige
Herstellung von speziell Dioden mit einem effektiven Randabschluss
bei relativ niedrigen Temperaturen, wobei sich diese Dioden durch
eine hohe Sperrfähigkeit
und einen geringen Platzbedarf auszeichnen. Mit dem Verfahren können aber
nicht nur Dioden hergestellt werden. Es ist vielmehr auch möglich, dieses
Verfahren zur Bildung eines Randabschlusses einzusetzen, wie dieser
oben erläutert
wurde.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird beispielsweise in einem relativ hochohmigen p-leitenden Halbleiterkörper eine
n-leitende Zone mit Hilfe vorzugsweise einer Protonenbestrahlung
eingebracht. Anstelle einer Protonenbestrahlung, also einer Bestrahlung
mit Wasserstoffionen, kann gegebenenfalls auch eine Bestrahlung
mit Heliumionen vorgenommen werden. Die für die Erzeugung von Donatoren
nötigen
Wasserstoffatome müssen
dann durch Diffusion aus zum Beispiel einer Plasmaentla dung bereitgestellt
werden. Weiterhin ist es möglich,
Wasserstoffionen (Protonen) und Heliumionen gemeinsam einzusetzen.
Im Folgenden soll also unter einer "Protonenbestrahlung" gegebenenfalls auch eine Bestrahlung
mit Heliumionen mit nachfolgender Eindiffusion von Wasserstoff verstanden
werden. Generell ist jede Bestrahlung geeignet, die Defekte im Siliziumkristall
erzeugt. Insbesondere zählt
dazu auch eine Elektronenbestrahlung, die mit nachfolgender Wasserstoff-Plasmabehandlung
bzw. -Diffusion dotierend wirkt.
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Eine
Protonenbestrahlung hat den Zweck, den p-leitenden Halbleiterkörper, also
das p-dotierte Grundmaterial, in dem Bereich der herzustellenden n-leitenden
Zone, also bei einer Diode im Bereich der n-leitenden Basiszone,
welche die Sperrspannung aufnehmen soll, überzukompensieren. Dies wird
dadurch möglich,
dass eine Protonenbestrahlung die Eigenschaft besitzt, in dem Bereich
im Halbleiterkörper,
in welchem die Protonen zum Stillstand kommen, also in dem so genannten "end-of-range", Donatoren zu erzeugen.
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Je
nachdem, bei welcher Temperatur ein dieser Protonenbestrahlung nachfolgender
Temperaturschritt durchgeführt
wird, kann die durch die Protonenbestrahlung erzeugte Donatorverteilung
auch noch verbreitert werden, was allerdings nur in Richtung des
durchstrahlten Bereiches gilt, da zur Donatorbildung ein Komplex
aus Wasserstoffatomen und den bestrahlungsbedingten Defekten im
Kristallgitter erforderlich ist.
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Über diese,
der Protonenbestrahlung nachfolgende Temperaturbehandlung, welche
vorzugsweise im Bereich zwischen 400 und 500°C über eine Dauer von typischerweise
10 Minuten bis zu 4 Stunden vorgenommen wird, lässt sich auch die Verteilung
der Ladungsträger-Lebensdauer
in der n-leitenden Zone, bei einer Diode also in der n-leitenden
Basiszone, steuern.
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Abhängig vom
Bedarf kann gegebenenfalls anstelle einer einstufigen Bestrahlung
mit Protonen auch eine mehrstufige Be strahlung vorgenommen werden,
um die gewünschte
Verbreiterung der Dotierung in vertikaler Richtung, also in Tiefenrichtung
von der bestrahlten Oberfläche
des Halbleiterkörpers aus,
zu erzielen.
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Vorzugsweise
sollte die Bestrahlung maskiert vorgenommen werden, um eine gewünschte laterale
Verteilung bzw. Ausdehnung der n-leitenden Zone, zu schaffen. So
kann durch diese Maskierung beispielsweise ein am Rand hochgezogenes
p-leitendes Gebiet des Halbleiterkörpers, das als effektiver Randabschluss
wirksam ist, erhalten bleiben.
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Für die Temperaturbehandlung
kann im Anschluss an eine Bestrahlung mit Wasserstoffionen oder
beispielsweise Heliumionen auch eine Temperung in wasserstoffhaltiger
Atmosphäre
bzw. in einem Wasserstoffplasma erfolgen. Dies hat zur Folge, dass
die benötigten
Implantationsdosen reduziert werden können und somit die Dotierung
insgesamt kostengünstiger
wird.
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Bei
einer Diode kann ein p-leitender Emitter auch als schwacher Emitter
ausgeführt
werden, so dass er bei relativ geringen Temperaturen unter etwa 580°C herstellbar
ist. Dies hat den Vorteil, dass der Emitter dann sowohl einen für eine niedrige
Rückstromspitze
erwünschten
relativ geringen Emitterwirkungsgrad aufweist, als auch gleichzeitig
einen ohmschen Kontakt bildet. Es liegt dann ein so genannter transparenter
p-leitender Emitter vor.
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Um
in der n-leitenden Zone einen Emitter zu erzeugen, bietet sich auch
hier ein transparenter n-leitender Emitter an, dessen Emitterwirkungsgrad über die
Dosis von beispielsweise implantiertem Phosphor oder Selen gesteuert
und ebenso bei Temperaturen unterhalb von 580°C aktiviert werden kann. Angaben
zur geeigneten Dimensionierung der Emitter finden sich beispielsweise
in
DE 100 31 461 A1 .
Damit ist es jedenfalls möglich,
einen Rückstromverlauf
abhängig
von den Anforderun gen an eine Diode mit beispielsweise niedrigen
Schaltverlusten einzustellen.
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Somit
lassen sich also die Basis, beide Emitter der Diode und auch der
Randabschluss, d. h. also die gesamte Diodenstruktur, bei Temperaturen
erzeugen, die unterhalb 580°C
liegen.
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Ein
Vorteil eines mit diesem Verfahren hergestellten Leistungshalbleiterbauelementes
liegt darin, dass ein p-leitender Emitter in direktem Kontakt mit der
Rückseite
des Bauelementes steht. Bei vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen
erfolgt die Montage meist durch Auflöten auf einer auf gut leitendem Material,
beispielsweise dickem Kupfer, basierenden Grundfläche. Durch
die hohe Querleitfähigkeit
dieses Materials kommt es dann zu einer sehr homogenen Stromverteilung
im p-leitenden Emitter und damit zu einer höheren Tragfähigkeit für hohe Überstrom-Pulse.
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Die
Diode kann ohne weiteres bei relativ geringen Temperaturen mit einem
Randabschluss mit "Zuckerhutstruktur" versehen werden,
so dass ein sehr effektiver Randabschluss entsteht. Mit anderen Worten,
die den Randabschluss bildende Zone wird durch eine maskierte Protonenbestrahlung
von der Kathodenseite her erzeugt. Die Tiefe der "Zuckerhutstruktur" des Randabschlusses
wird über
die verwendete Bestrahlungsenergie eingestellt, während die Donatorkonzentration
im Bereich des Randabschlusses durch die verwendete Dosis bei der
Bestrahlung festgelegt wird. Eine gewünschte Verteilung in der Tiefe
der "Zuckerhutstruktur" kann wiederum über einen
geeigneten Temperaturschritt oder/und durch den Einsatz mehrerer
Bestrahlungsenergien erreicht werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch einen nicht zur Erfindung
gehörenden Randabschluss,
bei dem sich eine p-dotierte "zuckerhutförmige" Zone vom Rand eines
p-dotierten Emitters aus in den Halbleiterkörper erstreckt,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung durch den Halbleiterkörper eines
Thyristors mit jeweils einer p-dotierten "zuckerhutförmigen" Zone auf der Kathodenseite und der
Anodenseite als Randabschluss zur Optimierung der Vorwärts- bzw. Rückwärtssperrfähigkeit,
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3 schematisch
die Feldverteilung in Vorwärtsrichtung
eines Thyristors mit beidseitigen "zuckerhutförmigen" Zonen für den Randabschluss, wobei
der Abstand zwischen den beiden Zonen in lateraler Richtung etwa
zwei Diffusionslängen
beträgt,
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4 den
Verlauf der Durchbruchspannung in V in Abhängigkeit von der Dosis bezogen
auf die vertikale Richtung in einer p-dotierten "zuckerhutförmigen" Zone einer pn-Diode, wobei die Tiefe
eines p-dotierten
Gebietes 60 μm,
die Tiefe der "zuckerhutförmigen" Zone etwa 250 μm und die
Dicke der Diode etwa 500 μm
betragen,
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5 schematisch
die Potentialverteilung im Randbereich einer Diode mit einer p-dotierten "zuckerhutförmigen" Zone einer Dosis
von etwa 3,7 × 1012 Fremdatome cm–2 bezogen
auf die vertikale Richtung,
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6 einen
schematischen Schnitt durch eine nicht zur Erfindung gehörende Diode,
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7 einen
schematischen Schnitt durch eine nicht zur Erfindung gehörende Diode
mit einem Randabschluss entsprechend den 1 bis 5, und
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8 eine
Schnittdarstellung einer herkömmlichen
Trenndiffusion zur Verlagerung des Randabschlusses für die Rückwärtssperrfähigkeit
einer Thyristorstruktur von der Anodenseite auf die Kathodenseite.
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8 ist
bereits eingangs erläutert
worden.
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In
den Figuren werden für
einander entsprechende Teile jeweils die gleichen Bezugszeichen
verwendet, wobei in den 1 bis 3 für gleiche
Teile wie in 8 um einen Summanden "20" erhöhte Bezugszahlen
bis auf die Kathodenelektrode 6 und die Anodenelektrode 8 vorgesehen
sind.
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1 zeigt
einen Randabschluss mit einem n–-leitenden
Halbleiterkörper 21,
der eine erste Hauptoberfläche 30 und
eine gegenüberliegende, zweite
Hauptoberfläche 31 besitzt.
Im Bereich der ersten Hauptoberfläche 30 befinden sich
ein p-dotiertes
Gebiet 22, in das ein n-dotiertes Gebiet 24 eingebracht
ist. Das Gebiet 24 ist zusammen mit dem Gebiet 22 mit
einer Kathodenelektrode 6 kontaktiert. Der notwendige Gatekontakt
eines Thyristors ist hier nicht abgebildet.
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Im
Bereich der anderen Hauptoberfläche 31 ist
ein p-dotiertes Gebiet 23 in den n–-dotierten
Halbleiterkörper 21 eingebracht.
Das Gebiet 23 ist mit einer Anodenelektrode 8 kontaktiert.
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Von
dem Gebiet 23 erstreckt sich eine p-dotierte "zuckerhutförmige" Zone 17 in
den Halbleiterkörper 21 bis
etwa zu dessen Mitte. Eine Eindringtiefe von 30 bis 40 % der Scheibendicke
des Halbleiterkörpers 21 wäre aber
für die
Zone 17 ebenfalls bereits ausreichend. Die Basisbreite
dieser Zone 17 beträgt
an der Oberfläche 31 abhängig von
der Spannungsklasse des herzustellenden Bauelements zwischen 20
und 300 μm.
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Im
Bereich der Oberfläche 30 des
Halbleiterkörpers 21 kann
gegebenenfalls noch ein "Channel-Stopper" 32 vorgesehen
sein, der beispielsweise n-dotiert ist. Ebenso kann im Halbleiterkörper 21 auch
eine tiefliegende, beispielsweise durch Protonenbestrahlung erzeugte
Stoppzone 33 vorliegen, welche für eine Begrenzung des elektrischen
Feldes in Tiefenrichtung sorgt. Der Channel-Stopper 32 ist für eine Optimierung
des Flächenbedarfes
vorteilhaft, während
die Stoppzone 33 zu einer Feinoptimierung der Verteilung
des elektrischen Feldes sowie des Schaltverhaltens beiträgt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Randabschlusses
am Beispiel eines Thyristors, wobei hier beidseitig jeweils eine p-dotierte "zuckerhutförmige" Zone 18 bzw. 19 in
den n–-leitenden
Halbleiterkörper 21 hineinragen.
Der laterale Abstand d zwischen diesen beiden Zonen 18, 19 beträgt vorzugsweise
eine bis zwei Diffusionslängen
L der freien Ladungsträger.
Er kann auch das Dreifache hiervon sein. Durch eine solche Gestaltung des
Randabschlusses werden die Vorwärtssperrfähigkeit
und die Rückwärtssperrfähigkeit
des Thyristors optimiert.
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3 zeigt
die Feldverteilung in einem Thyristor der in 2 dargestellten
Art bei einer Vorwärtsspannung
von 2,6 kV mit der erfindungsgemäßen Randstruktur.
Die höchste
Feldstärke
tritt hier in einem Bereich 25 auf, während Bereiche 26 und 27 bzw.
Bereiche 28 und 29 jeweils für schwächer werdende Feldstärken stehen.
Dies bedeutet, dass bei dem erfindungsgemäßen Randabschluss die Bereiche
hoher Feldstärke
deutlich im Innern des Halbleiterkörpers liegen und somit durch
Oberflächenladungen
nicht beeinflusst werden.
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Mit
dem in den 2 und 3 gezeigten Randabschluss
lässt sich
bei einem Thyristor die Kippspannung auf etwa 80 der Volumendurchbruchspannung
einstellen.
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4 veranschaulicht
die Abhängigkeit
der Durchbruchspannung in V von der Dosis in Fremdatomen cm–2 in
der "Zuckerhutstruktur" bezogen auf die
vertikale Richtung für
eine 3 kV-Diode. Die Tiefe des Gebietes 22 bei dieser Diode
beträgt
etwa 60 μm,
während
die Zone 19 hier eine Eindringtiefe von etwa 250 μm hat und
der Halbleiterkörper 21 selbst eine
Dicke von etwa 500 μm
aufweist. Eine solche Diode entspricht der Darstellung von 2,
wenn in dieser das n-dotierte Gebiet 24 und die p-dotierte Zone 18 weggelassen
werden (das Gebiet 24 wird von dem Gebiet 22 eingenommen,
und die Zone 18 entfällt
in dem Halbleiterkörper 21)
und das Gebiet 23 durchgängig gestaltet und n+- statt p-dotiert ist.
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5 zeigt
die Potentialverteilung der Diode mit der in 4 dargestellten
Durchbruchspannung bei einer Dosis von 3,7 × 1012 Fremdatomen
cm–2. Deutlich
ist aus 5 zu sehen, dass Verzerrungen der Äquipotentiallinien,
die zu einer Feldstärkeüberhöhung führen, weitgehend
vermieden sind.
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Die 6 und 7 zeigen
zwei verschiedene Beispiele von Dioden, bei denen eine n-leitende Zone 9 in
einem p-leitenden Halbleiterkörper 1 (6)
bzw. eine n-leitende Randzone 10 mit "Zuckerhutstruktur" in einem p-leitenden Halbleiterkörper 1 (7)
erzeugt sind. Bei einem solchen Verfahren werden Protonen, also
Wasserstoffionen, von der Kathodenseite aus maskiert auf den Halbleiterkörper 1 eingestrahlt.
Bei dieser Einstrahlung kommen die Protonen in dem Bereich zum Stillstand,
in welchem die Zone 9 in 6 bzw. die
Zone 10 in 7 erzeugt werden sollen.
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An
diese Protoneneinstrahlung schließt sich eine Temperaturbehandlung
beispielsweise zwischen 400 und 500°C an, so dass die in den 6 bzw. 7 gezeigte
Verteilung der Donatoren in der Zone 9 bzw. in der Zone 10 vorliegt.
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Dabei
kann bei Bedarf auch eine mehrstufige Bestrahlung vorgenommen werden,
um die gewünschte
Verbreiterung in vertika ler Richtung, also eine ausreichende Tiefe
ausgehend von der Kathodenelektrode 6, zu erreichen.
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Anstelle
der bzw. zusätzlich
zur Temperaturbehandlung zwischen 400 und 500°C kann gegebenenfalls auch eine
Temperung in wasserstoffhaltiger Atmosphäre bzw. in einem Wasserstoffplasma
vorgenommen werden.
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In
der Diode der 6 ist die Zone 9 durch die
maskierte Bestrahlung mit Protonen so ausgebildet, dass ein hochgezogenes
p-leitendes Gebiet im Halbleiterkörper 1 an dessen Rand
stehen bleibt, so dass hier ein effektiver Randabschluss durch dieses Gebiet
gebildet wird. Bei der Diode der 7 wird dagegen
durch die Zone 10 ein zuckerhutförmiger Randabschluss geliefert,
wie dieser oben anhand der 1 bis 5 ausführlich beschrieben
wurde. Für die
Tiefe dieser Zuckerhutstruktur gelten auch für die Diode der 7 die
oben hierzu gemachten Aussagen.
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Die
Dioden der 6 und 7 haben
noch eine "transparente" vorzugsweise höher dotierte n-leitende
Kathoden-Emitterzone 12, die beispielsweise durch Implantation
von Phosphor oder Selen gebildet ist, und eine vorzugsweise höher dotierte p-dotierte Anoden-Emitterzone 13,
die beispielsweise mit Bor dotiert sein kann. Die Emitterzone 13 kann dabei
als schwacher Emitter ausgeführt
und somit auch bei relativ niedrigen Temperaturen hergestellt werden.
Dies hat den Vorteil, dass diese Emitterzone 13 sowohl
einen für
eine niedrige Rückstromspitze erwünschten
relativ geringen Emitterwirkungsgrad aufweist, als auch einen ohmschen
Kontakt zur Anodenelektrode 8 herstellt.
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Außerdem kann
auf diese Weise eine Diode ohne Hochtemperaturprozesse hergestellt
werden. Die maximale Temperatur, die bei der Herstellung der Diode
zur Anwendung kommt, kann kleiner als die eutektische Temperatur
von Al (als Kontaktmaterial) und Si als Halbleiterkörper, also
kleiner als 580°C
gehalten werden. Dies hat den Vorteil, dass die Metallisierung der
Diode schon sehr früh
im Prozess aufgebracht werden kann und somit mehr Flexibilität für den Prozess
besteht. Der n- und/oder
der p-Emitter können
auch stärker
dotiert und eindiffundiert werden, wobei dann allerdings höhere Prozesstemperaturen
(z. B. 750...1200°C)
zum Einsatz kommen, so dass die Herstellung der n-dotierten Gebiete
durch Protonenbestrahlung erst nach diesen Hochtemperaturprozessen
erfolgen kann, da ansonsten Protonen-induzierte Donatoren durch
die Temperung verschwinden würden.
Weiters ist das Aufbringen einer Metallisierung auch erst nach solchen
Hochtemperaturprozessen möglich.
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Die
p+-dotierte Emitterzone 13 steht
in direktem Kontakt mit der Rückseite
der Diode, so dass diese ohne weiteres durch Auflöten auf
beispielsweise einer auf dickem Kupfer basierenden Grundfläche montiert
werden kann.