DE2500775A1

DE2500775A1 - Hochspannungsfestes halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2500775A1
Application number: DE19752500775
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: 1975-07-17
Also published as: DE2500775B2; US3984859A; DE2500775C3; JPS5631898B2; JPS50106565A

Description

Priorität: 11..Januar 197^, Japan, Mr. 5978/74

Hoch spanirangsfestes Halbleiterbauelement

Die Erfindung* betrifft ein hoch sparinungsfestes Halbleiterbauelement aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit zwei einander* gegenüberliegenden Hauptoberflachen, mit einem ersten Bereich eines zweiten Leitungstyps, von dem ein Ende zumindest in der ersten Hauptoberfläche freil.iegt und der mit dem Substrat einen pn—Übergang bildet; mit einem zweiten« ringförmigen Bereich vorn zweiten Leitungstyp, der um den ersten Bereich herum in einer solchen Entfernung von diesem in der ersten Hauptoberfläche ausgebildet ist, dass der Ringfbereich innerhalb des Ausdehnungsbereiches der Sperrschicht in der ersten Hauptoberfläche liegt _t die sich beim Durchschlag des pn—Überganges zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat ausbildet; mit einer ersten Hauptelektrode, die zu einem ausgewählten Bereich der ersten HauptOberfläche einen ohmschen Kontakt herstellt, und einer zweiten Hauptelektrode, die zur zweiten Hauptoberfläche des Substrats einen ohmschen Kontakt herstellt.

Die Erfindung betrifft also ein hoch spannungsfestes Halb—

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leiterbaueleinent_t dessen Haupt—pn—Übergang eine Planar— struktur hat.

Nach der Art der Ausbildung der pm-Übergänge eines HaIbleiterbauelertientes unterscheidet man bei solchen Bauelementen Planar strukturen »Mesastrukturen und Kegelstumpfstrukturen. Die Planarstrukturen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Enden oder Bänder der pn-Übergänge in einer der Hauptoberflächeti des Halbleiter substrates freiliegen. Die Mesastrafcturen sind dadurch gekennzeichnet, dass diese Enden der pn—Übergänge in einer einge— ätzten Oberfläche im Randbereich einer der Hauptoberflächen des Substrats freiliegen. Die Kegelstumpf strukturen sind dadurch gekennzeichnet, dass diese Ränder der pn—Übergänge in den Seitenflächen freiliegen,die die beiden Haupt— Oberflächen des Substrats miteinander verbinden, wobei diese Seitenflächen in einer Keihe von Bauelementen den pn-Übergang schräg- schneiden und in einer Reihe von Bauelementen rechtwinklig schneiden. Die Planarstrukturen und die Mesastrukturen sind insbesondere dann geeignet_t wenn eine Zahl einzelner Halbleitereleniente durch Zerteilen eines grösseren Halble it er s ehe ibehens hergestellt, werden sollen. Halbleiterbauelemente mit Planar struktur und Mesastruktur werden im wesentlichen nur in Nieder—" lastbereichen eingesetzt. Bie Kegelstumpfstrukturen, sind dagegen typisch für ausgesprochen hoch belastbare Halbleiterbauelemente., Sie sind im Yergleich zu den Bau»- elementen mit Planarstruktur und Mesastruktur durch Halb— leitersubstrate mit relativ grosser Oberfläche gekennzeichnet- Fabrikatio-nstechniseh sind die Planarstrukturen am einfachsten. Bier-stellbar „ da sie lediglich die Burciiführung von BiffEEsians&perationen erfordern. Zur Herstellung von Mesastriikturert müssen bereits zusätzlich Tiefenätzungen diirchgefiihrt werden. Bei der Herstellung

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von Halbleiterbauelementen mit Kegelstumpfstruktur müssen darüber hinaus die Seitenflächen jedes einzelnen Elementes seitlich abgeschrägt werden. Der Herste1lungsaufwand
nimmt also von den Planarstrukturen über die Mesastrukturen zu den Kegelstumpfstrukturen zu.

Auf der anderen Seite unterliegen aber die in den Oberflächen der Halbleitersubsträte 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
Halbleiterscheibchens 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—Übergang freiliegt, wird eine im Querschnitt parallel zum pn-übergang relativ grosse Fläche des stark dotierten Bereiches verfügbar.

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Der Neigungswinkel der Schrägflächen beträgt 15-60 zum pn-übergang. Bei Einstellung dieser Winkel braucht noch keine wesentliche Dxmensionsvergrosserung des Halbleiter-Substrats 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 dotierten Bereiches parallel zum pn-übergang kleiner wird. Mit Bauelementen mit Mesastruktur können Spannungsfestigkeiten b"⁵ s 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 worden. Ein typisches Merkmal für 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 zunimmt. 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. ¥ährend 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 Mesastrukturen, so dass diese, wenn sie für hohe Lastströme eingesetzt werden sollen, relativ grossflächige Halbleitersubstrate erfordern. Selbst dann liegen die erzielbaren Spannungsfestigkeiten jedoch noch immer unter den angestrebten Werten.

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Die pn-Übergänge der Planarstrukturen weisen auf der anderen Seite Krümmungsbereiche auf, in denen hohe elektrische Feldkonzentrationen auftreten. Ausserdem sind in den Planarstrukturen die Störstellenkonzentrationen zu beiden Seiten der freiliegenden Ränder des pn-Überganges relativ hoch, so dass sich die Sperrschicht um diese freiliegenden Bereiche über eine nur relativ kleiner 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 so mehr Feldbegrenzungsringe müssen vorgesehen sein, was dazu führt, dass bereits sehr schnell sehr grossflächige Halbleitersubstrate 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.

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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 Porendiffusionsbereiche, 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 Spannungs-' festigkeit 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. Zum einen neigen dickere Oxidschichten leicht zur Ausbildung von Rissen, zum anderen kann mit dicken Oxidschichten eine nur noch relativ ungenaue Maskengeometrie erzielt werden. Die aus 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 ^iOO - 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

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der Oxidschicht und erzeugen Induktionskanäle bis auf den Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats hinab. Diese induzierten Kanäle wiederum verursachen im Bauelement Kraech— ströme, die ebenfalls die Spannungsfestigkeit der Bauelemente vermindern.

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

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Bauelement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch eine Ringnut in der ersten Hauptoberfläche des Substrats zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, deren Sohle flacher als die unteren Grenzflächen des ersten und des zweiten Bereiches liegt, wobei die Ringnut so angeordnet ist, dass die Enden des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem ersten Bereich und ein Ende des pn—Überganges zwischen dem Substrat und dem zweiten Bereich in der Oberfläche der Ringnut freiliegen; durch eine Ausnehmung im Aussenrand des zweiten Bereiches, die so geschnitten ist, dass das andere Ende des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem zweiten Bereich parallel zur ersten Hauptoberfläche in der Oberfläche der Ausnehmung freiliegt, und durch ein elektrisch isolierendes Material, ' mit dem die Obexflachen der Ringnut und der Ausnehmung bedeckt sind.

Das Bauelement ist also in einem Halbleitersubstrat mit zwei Hauptoberflächen ausgebildet und weist einen ersten Dotierungsbereich auf, dessen Leitungstyp demjenigen des Substrats entgegengesetzt ist. Dieser Dotierungsbereich

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ist in planarer Struktur in einem bestimmten Bereich in einer der beiden Hauptoberflächen des Substrates ausgebildet. Ein zweiter Dotierungsbereich ist in Form eines Ringes ausgebildet, der den ersten Dotierungsbereich umschliesst. Dieser zweite Dotierungsbereich entspricht seiner Art nach einem Feldabschirmungsring. Erforderlichenfalls können auch mehrere umeinander konzentrische Feldabschirmungsringe ("zweite Bereiche") statt des einen vorgesehen sein. Eine oder mehrere Ringnuten, wobei unter dem Wort "Ringnut" hier eine in sich geschlossene und in sich zurücklaufende Nut beliebiger Geometrie verstanden wird, sind zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich oder zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich sowie zwischen den zweiten Bereichen selbst ausgebildet. Die Sohle jeder dieser Ringnuten liegt flacher als die untere Grenzfläche des ersten Bereiches und der zweiten Bereiche. Die Ränder der pn-Übergänge zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat und zwischen den zweiten Bereichen und dem Substrat liegen in der Oberfläche der Ringnuten frei. Weiterhin liegt der Rand des pn-Überganges zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat oder zwischen dem Substrat und dem äussersten der zweiten Bereiche, und zwar jener Rand, der parallel zu einer Hauptoberfläche des Substrates liegt, frei im äusseren Rand des zweiten Bereiches bzw. des äussersten der zweiten Bereiche, wenn mehrere dieser Bereiche vorgesehen sind.

Das Bauelement der Erfindung besteht also mit anderen Worten im wesentlichen aus einem Haupt-pn-Übergang in Planarstruktur und einem oder mehreren Feldabschirmungsringen aussen um den freiliegenden Rand des Haupt-pn-Überganges herum und mindestens einer Vertiefung oder Rinne, die im Substrat zwischen dem den Haupt-pn-Übergang bildenden Hauptdotierungsbereich und dem der Feldbegrenzung dienenden Ringbereich ausgebildet ist. Der tiefste Flächenbereich dieser Rinne oder Nut liegt flacher zur Oberfläche des

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Substrats als die unteren Begrenzungsflächen jedes der Dotierungsbereich«. In die konkave Fläche dieser Nut münden der Rand des Haupt-pn-Überganges und einer der Ränder des pn-Überganges zwischen dem feldbegrenzenden Ringbereich und dem Substrat. Der gegenüberliegende Rand dieses pn-Überganges zwischen dem Feldbegrenzungsbereich und dem Substrat mündet in die Oberfläche einer weiteren Ringnut oder in die Oberfläche einer Ausnehmung, deren tiefste Flächenbereiche tiefer als der tiefste Begrenzungsflächenbereich des Feldbegrenzungsringes liegt.

In struktureller Hinsicht ist also in einem ausgewählten Bereich einer der Hauptoberflächen eines Halbleitersubstrates ein erster Dotierungsbereich und um diesen herum mindestens ein zweiter Bereich gebildet. Der erste und der zweite Bereich weisen einen Leitungstyp auf, der dem Leitungstyp des Substrates entgegengesetzt ist, so dass zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat und zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat pn-Übergänge gebildet werden. Der zweite Bereich liegt innerhalb einer Entfernung, bis zu der sich die Sperrschicht erstreckt, wenn der Haupt—pn-übergang in einer der Hauptoberflächen des Bauelementes durchbricht. Die effektive Durchschlagspannung des Haupt-pn-Überganges entspricht also der Summe der eigentlichen Durchschlagspannung des Haupt-pn-Überganges und der Durchschlagspannung des pn-Überganges zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat, was einer aktuellen Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Bauelementes entspricht. Ausgehend von dieser Konfiguration ist im Bauelement der Erfindung eine Ringnut zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich eingeschnitten, deren Sohle von der Hauptoberfläche des Substrats aus betrachtet flacher liegt als die Sohle des ersten und des zweiten Dotierungsbereiches. Die Enden oder Randbereiche des Haupt-pn-Überganges und des pn-Überganges zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat liegen in der Oberfläche der Ringnut frei. Der

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Rand des pn-Überganges zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat, der parallel zur Hauptoberfläche des Substrats liegt, liegt in der Seitenfläche des Aussenranfes des zweiten Bereiches frei. Sämtliche freiliegenden Enden der pn-Übergänge sind mit einem isolierenden Material bedeckt.

Durch die Ringnut wird vor allem der unerwünschte Effekt, der durch eine Diffusion von Dotierungsmaterial durch die Nadelporen der Oxidmaske hindurch zwischen dem ersten und dem zweiten Dotierungsbereich hervorgerufen wird, unterdrückt. Durch ein Ausfüllen der Nut mit einem isolierenden Material wird weiterhin eine ausserordentlich dicke und von Nadelporen vollständig freie Passivierungsschicht auf den Oberflächenbereichen der pn-Übergangsränder geschaffen. Durch diese dicke Passivierungsschicht, die die Ränder 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 Vergussmasse eindiffundiertes oder eingeschlossenes Wasser wird nicht polarisiert. Dadurch, dass die Sohle der Ringnut flacher als die Sohlen des ersten und des zweiten Bereiches ist, wird auch die Ausdehnung der Sperrschicht des Haupt-pn-Überganges nicht gestört oder blockiert. Der zweite Bereich kann seine Wirkung als feldbegrenzender Ring ungestört ausüben.

Bei Strukturen der Erfindung mit mehr als nur einem zweiten Bereich liegt die Kante des pn—Überganges zwischen dem äussersten dieser zweiten Bereiche und dem Substrat,die parallel zur Hauptoberfläche liegt, so in der Seitenfläche des Aussenrandes des äussersten Bereiches frei, dass eine Mesastruktur gebildet wird. Die Summe dieser Merkmale führt dazu, dass das Bauelement bei einer höheren Spannungsfestigkeit kleinere geometrische Abmessungen als eine Planar-

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struktur haben kann. Das Bauelement kann also insgesamt als hoch spannungsfestes Halbleiterbauelement mit einem Häupt-pn-Übergang in Planarstruktur bezeichnet werden, das die typischen Nachteile der bekannten Planarstrukturen nicht aufweist, aber alle wesentlichen Merkmale ihrer fertigungstechnischen Vorteile beinhaltet.

Ein weiterer Vorteil des Bauelementes liegt darin, dass die Oberflächenoxidschicht auf dem Substrat nicht besonders dick zu sein braucht, so dass insbesondere die Elektroden leicht und mit hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Da weiterhin ein Teil des zweiten Bereiches in einer der beiden Hauptoberflächen des Substrates verbleibt, kann ein Induktionskanal, selbst wenn er ausgebildet wird, durch diesen Teil des zweiten Bereiches vollständig blockiert werden. Wenn der zweite Bereich durch eine ungünstige Ausbildung der Ringnut nicht mehr in der Hauptoberfläche des Substrates freiliegt, so kann sich ein Induktionskanal aufgrund der Abnahme der Störstellenkonzentration in der Oberfläche des zweiten Bereiches ausbilden. Bei Ausbildung eines solchen Induktionskanals in der Nähe der Oberfläche des zweiten Bereiches wird jedoch dieser zweite Bereich praktisch wirkungslos. Aus diesem Grund ist im Bauelement der Erfindung der zweite Bereich so ausgebildet, dass er teilweise in der Hauptoberfläche des Substrates freiliegt und dadurch den Einfluss von Induktionskanälen eliminiert. Darin liegt einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die mechanischen Spannungen in dem Isolationsmaterial, das die Ringnut füllt, vermindert werden können. Übliche elektrisch isolierende Substanzen, insbesondere Glas und anorganische Substanzen, die zur Bildung von Passivierungsschichten verwendet werden, besitzen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die grosser als die Ausdehnungskoeffizienten

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des Halblextersubstrates sind. Selbst bei breiten Ringnuten wird also aufgrund des unterschiedlichen thermischen Verhaltens das Isolationsmaterial dazu neigen, sich von der Oberfläche der Nut abzuschälen. Auch werden Rissbildungen im Isolationsmaterial oder ein Biegen des Halbleitersubstrats normalerweise nicht ausgeschlossen werden können. Überraschenderweise wird im Rahmen der Erfindung jedoch festgestellt, dass bei minimaler Breite der Nut und einem zweiten Dotierungsbereich, von dem ein Teil in der Hauptoberfläche des Substrats stehen bleibt, die im isolierenden Material aufgebaute mechanische Spannung auf ein zu vernachlässigendes Minimum reduzierbar ist.

Die Wirkungen und Vorteile der vorgeschlagenen Struktur lassen sich am besten für den Fall beschreiben, bei dem lediglich ein einziger zweiter Bereich und um diesen herum eine zweite Ringnut ausgebildet sind sowie für den Fall, dass mehrere zweite Bereiche ausgebildet sind, zwischen denen ebenfalls Ringnuten angeordnet sind.

Der zweite Bereich braucht nicht unbedingt als in sich vollständig geschlossener und durchgehender Ringbereich ausgebildet zu sein, sondern kann beispielsweise auch eine in sich geschlossene Folge von Stücken von Kreisringbögen bilden. Wichtig ist bei dieser Anordnung lediglich, dass bei Vorspannung des Haupt-pn-Überganges in Sperrichtung die Sperrschicht selbst einen in sich geschlossenen Kreis bildet. Für die Ringnut selbst wird die Form eines ununterbrochenen Kreises vorgezogen.

Das Bauelement kann als Diode, als Transistor oder als Thyristor oder unter Zugrundelegung einer anderen Schaltfunktion ausgebildet sein, wobei das Hauptmerkmal all dieser Bauelemente stets ein pn-übergang ist, der bezüglich einer der Hauptoberflächen des Substrats nach Art einer Planarstruktur ausgebildet ist. Im Fall eines Thyristors liegen

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die pn-Übergänge der Planar struktur in jeder der beiden Hauptoberflächen des Substrats. Dementsprechend sind vorzugsweise für einen Thyristor beide Hauptoberflächen des Substrats mit zweiten Bereichen und den beschriebenen Ringnuten ausgerüstet.

Wie bereits erwähnt, ist das Füllen der Ringnut mit dem elektrisch isolierenden Material ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung. Die Begriffe "Füllen" und "Bedecken" sind dabei in der Wirkung im Rahmen der Beschreibung als weitgehend gleichbedeutend zu verstehen. Mit Bedecken ist die wichtigste Grundfunktion des elektrisch isolierenden Materials bezeichnet. Ein solches Bedecken kann unter Umständen auch nur ein relativ dickes Beschichten sein. Vorzugsweise beinhaltet dieses Bedecken der Oberflächen der Ringnut und der Ausnehmungen jedoch ein Füllen der Nuten. Die Dicke dieser bedeckenden isolierenden Schicht muss zumindest ausreichen, dass eine Polarisation durch elektrische Kriechfelder ausgeschlossen wird. Beim Füllen der Nut mit dem elektrisch isolierenden Material ist diese Bedingung mit Sicherheit eingehalten. Vorzugsweise hat die Isolatorschicht eine Dicke von mehr als 3 /um, ist jedoch dünner als der erste oder der zweite Bereich tief sind.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist schliesslich, dass der Aussenrand des pn-Überganges zwischen dem zweiten Bereich und dem Substrat, der parallel zur Hauptoberfläche des Substrates verläuft, am Aussenrand des zweiten Bereiches freiliegt. Diese Konfiguration kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, dass man um den zweiten Bereich aussen herum eine Ringnut schneidet, deren Sohle tiefer als die Sohle des zweiten Bereiches ist. Alternativ kann diese Konfiguration dadurch erstellt werden, dass man den Rand dieses pn-Überganges auf einer Seitenfläche des Substrates

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austreten und freiliegen lässt. In beiden Fällen wird jedoch, der freiliegende Rand dieses zur Hauptoberfläche des Substrats parallelen pn-Überganges mit einer isolierenden Substanz überzogen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt nach H-II in Fig. 1 ;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt;

Figuren ^a bis im Querschnitt verschiedene Herstellungsstadien eines Bauelementes der Erfindung;

Fig. 5a in graphischer Darstellung die Stehspannung als Funktion des Abstandes von einem zum anderen Feldbegrenzungsring und des Abstandes zwischen dem Feldbegrenzungsring und dem Haupt-pnübergang für eine Diode der Erfindung und

Fig. 5b die gleiche Darstellung für eine Diode nach dem Stand der Technik.

In den Figuren 1 und 2 ist in Draufsicht und im Querschnitt

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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 Hauptoberfläche liegt der beispielsweise durch selektive Diffusion hergestellte p-leitende Basisbereich 13· Im Basisbereich 13 ist, vorzugsweise ebenfalls durch selektive Diffusion hergestellt, der η-leitende Emitterbereich 14 so angeordnet, dass eine seiner Grenzflächen in der Hauptoberfläche 11 freiliegt. Der Basisbereich 13 wird aussen von einem ringförmigen p-Bereich 15 umschlossen, der als Peldbegrenzungsring dient. Auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche 12 des Substrates 1 ist eine Schicht 16 mit hoher StörStellenkonzentration ausgebildet. Der Ringbereich 15 ist innerhalb des Ausbreitungsbereiches der Sperrschicht angeordnet, die sich um den pn-Übergang J₁ zwischen dem n-Substrat 1 und der p-Basis 13 beim Durchbruch aufbaut. Dieser maximale Abstand des Ringbereiches bestimmt sich nach der Ausdehnung der Sperrschicht in der Hauptoberfläche 11.

Zwischen dem Basisbereich 13 und dem Ringbereich 15 ist eine Ringnut 17 geschnitten, deren Sohle flacher als die unteren Grenzflächen des Basisbereichs 13 und des Ringbereichs 15 liegt. Die Ringnut 17 ist dabei so ausgebildet, dass die Ränder des pn-Überganges J₁ und des pn-Überganges J„ zwischen dem Substrat 1 und dem Ringbereich 15 in. der Fläche des Ringbereichs 17 freiliegen. Aussen herum um den Ringbereich 15 ist in die Hauptoberfläche 11 weiterhin eine ringförmige Ausnehmung 18 eingeschnitten, deren Sohle tiefer liegt als die untere Begrenzungsfläche des Ringbereichs 15. Der Rand des Teils des pn-Überganges J„, der parallel zur Hauptoberfläche 11 verläuft, liegt in der Oberfläche der Ausnehmung 18 frei. Alternativ kann die Ausnehmung 18 auch durch eine Seitenfläche des Substrats ersetzt sein. Eine solche Ausbildung ist in Fig. 2 durch

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die unterbrochen gezeichneten Linien dargestellt. Die Kenndaten des Bauelementes werden dadurch nicht beeinflusst. Die Ringnut 17 und die Ausnehmung 18 sind mit Glasmasse 2 und 3 gefüllt. Mit dem Emitterbereich Ik steht eine Emitterelektrode k im ohraschen 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. Das so aufgebaute Halbleiterbauelement, hier ein Transistor, weist die vorstehend beschriebenen Vorzüge, insbesondere eine hohe Stehspannung, auf.

In der Fig. 3 ist im Querschnitt ebenfalls ein npn-Transistor nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Aiusführungsb ei spiel unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durch einen zweiten Feldbegrenzungsring 19. In den Figuren 1 bis 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Der Abstand zwischen dem Basisbereich 13 und dem inneren Ringbereich 15 ist gleich gross wie der entsprechende Abstand zwischen dem Basisbereich 13 und dem einzigen Ringbereich I5 des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen dem inneren Ringbereich 15 und dem äusseren Ringbereich 19 so festgelegt, dass sich die Sperrschicht, die sich beim Durchbruch des pn-Überganges J_ zwischen dem inneren Ringbereich 15 und dem Substrat 1 aufbaut, nicht über den äusseren Ringbereich 19 hinaus erstrecken kann. Zwischen dem inneren und dem äusseren Ringbereich ist eine Ringnut 20 geschnitten, deren Sohle flacher als die Sohlen der Ringbereiche 15 und 19 liegt. Der pn-übergang J_ und der pn-übergang JY zwischen dem äusseren Ringbereich 19 und dem Substrat 1 weisen Ränder auf, die in der Oberfläche der Ringnut

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freiliegen. Eine ringförmige Ausnehmung 21 läuft unmittelbar um den Aussenrand des äusseren Ringbereichs 19 herum. Die Ausnehmung 21 ist tiefer geschnitten als die untere Begrenzungsfläche des Ringbereichs 19tief ist. In der Oberfläche der ringförmigen Ausnehmung 21 liegt der Rand des Teils des pn-Überganges 4 frei, der parallel zur Hauptoberfläche des Substrats, in der sämtliche Bereiche gebildet sind, liegt» 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 im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels mit der Ausnahme, dass die Stehspannung der in Fig. 3 gezeigten Struktur höher als diejenige der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Struktur ist.

In der Fig. 4 sind verschiedene HerstellungsStadien eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauelementes der Erfindung gezeigt. Die Struktur ist eine hoch spannungsfeste Diode.

Auf einem grossflächigen n-Substrat 51 wird auf einer der beiden Hauptoberflächen 511 eine Oxidschicht 52 gebildet (Fig. 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. Anschliessend wird eine p-Leitung erzeugende Dotierungssubstanz, beispielsweise Bor, flach und in hoher Konzentration in die Hauptoberfläche 511 eindiffundiert. Diese Schicht 54 mit der hohen Störstellenkonzentration wird üblicherweise als "Vorauftragsschicht" bezeichnet (Fig. 4b). Nach dem Aufbringen der Vorauftragsschicht 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 unterteilt, von denen, jeder mindestens eine Ringnut 552 einschliesst. Die Tiefe sowohl der

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Nut 551 als auch der Ringnut 552 ist jeweils tiefer als die Tiefe der Vorauftragsschicht.

Anschliessend wird das Halbleitersubstrat in einer Atmosphäre erhitzt, die keine Bestandteile enthält, die den Leitfähigkeitstyp des Substrates beeinflussen. Bei dieser Wärmebehandlung diffundieren die Dotierungsatome der Vorauftragsschicht tiefer in das Substrat ein. Die Diffusion wird dabei so gesteuert, dass die Diffusionsfronten 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 Diffusions— bereich, der den Diodenbereich umschliesst und als Feld— abschirmungsring 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 tiefer als die Sohle des den Feldabschirmungsring bildenden Diffusionsbereiches abgesenkt wird (Fig. ^e). Alle Nuten werden elektrophoretisch mit Glaspulver gefüllt. Durch Sintern wird anschliessend eine Glasschicht 56 hergestellt, die als Oberflachenpassivierungsschicht dient (Fig. 4f). Anschliessend werden eine Anode 57 und eine Kathode 58 auf die entsprechenden Bereiche der Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats aufgebracht (Fig. hg), Anschliessend wird das Halbleit'erscheibchen entlang den in Fig. kg unterbrochen gezeichneten Linien.geschnitten, wobei die in Fig. kh. gezeigte hoch spannungsfeste 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,

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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. Alternativ zu und unabhängig von diesem überraschend vorteilhaftem Verfahren können die Bauelemente der Erfindung jedoch auch durch eine Reihe anderer, an sich.bekannter Verfahren und Methoden hergestellt werden. Der Fachmann benötigt hierzu keine weitere Anleitung.

Überraschend und zunächst völlig unerwartet ist auch die Tatsache, dass die Abstände zwischen dem Haupt-pn-übergang und dem Feldabschirmungsring und zwischen den einzelnen Feldabschirmungsringen im Fall von mehreren solcher Ringe · 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, was eines der Merkmale der Erfindung ist.

In den Figuren 5a- und 5b sind in graphischer Darstellung die Messergebnisse an Planardioden mit drei feldbegrenzenden Ringbereichen dargestellt. In jeder der Figuren ist afef der Ordinate die Stehspannung in Volt gegen die Abstände zwischen dem Haupt-pn-Übergang und dem innersten feldbegrenzenden Ring und zwischen den feldbegrenzenden Ringen selbst auf der Abszisse aufgetragen, und zwar für den Fall, dass der Leckstrom in Sperrichtung über einem vorbestimmten ¥ert, nämlich 100 /uA, liegt. Die beiden Abstände sind einander gleich und sind von Prüfling zu Prüfling gleichzeitig um denselben Betrag vergrössert. Die in der Fig. 5a gezeigten Daten sind an einem Bauelement der Erfindung gemessen, während

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die in der Fig. 5b gezeigten Daten an einer vollkommen planar ausgebildeten !Struktur nach dem Stand der Technik gemessen sind. Ein Vergleich beider Kurven zeigt deutlich, dass die Abmessungen des entsprechenden Bauelementes der Erfindung gegenüber dem Bauelement nach dem Stand der Technik wesentlich verkleinert werden können. Ausserdem weist das Bauelement der Erfindung eine deutlich höhere maximale Stehspannung als das Bauelement nach dem Stand der Technik auf.

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Claims

Patentansprüche

Θ Hoch spannungsfestes Halbleiterbauelement aus einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen, mit einem ersten Bereich eines zweiten Leitungstyps, von dem ein Ende zumindest in der ersten Hauptoberfläche freiliegt und der mit dem Substrat einen pn-übergang bildet; mit einem zweiten, ringförmigen Bereich vom zweiten Leitungstyp, der um den ersten Bereich herum in einer solchen Entfernung von diesem in der ersten Hauptoberfläche ausgebildet ist, dass der Ringbereich innerhalb des Ausdehnungsbereiches der Sperrschicht in der ersten Hauptoberfläche liegt, die sich beim Durchschlag des pn-Überganges zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat ausbildet; mit.einer ersten Hauptelektrode, die zu einem ausgewählten Bereich der ersten Hauptoberfläche einen ohmschen Kontakt herstellt, und einer zweiten Hauptelektrode, die zur zweiten Hauptoberfläche des Substrats einen ohmschen Kontakt herstellt, g e k e η η zeichnet durch eine Ringnut in der ersten Hauptoberfläche des Substrats zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, deren Sohle flacher als die unteren Grenzflächen des ersten und des zweiten Bereiches liegt, wobei die Ringnut so angeordnet ist, dass die Enden des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem ersten Bereich

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und ein Ende des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem zweiten Bereich in der Oberfläche der Ringnut freiliegen; durch eine Ausnehmung im Aussenrand des zweiten Bereiches, die so geschnitten ist, dass das andere Ende des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem zweiten Bereich parallel zur ersten Hauptoberfläche in der Oberfläche der Ausnehmung freiliegt, und durch ein elektrisch isolierendes Material, mit dem die Oberflächen der Ringnut und der Ausnehmung bedeckt sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich. net, dass die Ränder des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dsm ersten Bereich und ein Rand des pn-Überganges zwischen dem Substrat und dem zweiten Bereich in der Sohlenfläche der Ringnut freiliegen.
3» Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das elektrisch isolierende Material Glas ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet , dass die Ausnehmung als Nut mit einer Sohle ausgebildet ist, die tiefer als die Sohle des zweiten Bereiches liegt.
5· Hoch spannungsfestes Halbleiterbauelement aus einem

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Halbleitersubstrat mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen und einem Bereich eines ersten Leitungs·- typs, mit einem Bereich eines zweiten Leitungstyps, dessen Enden in zumindest einer der Hauptoberflächen freiliegen und der mit dem Substrat einen pn-übergang bildet, mit mehreren zweiten ringförmigen Bereichen des zweiten Leitungstyps, die in der ersten Hauptoberf.lache um den ersten Bereich herum gebildet sind und sich über eine Fläche 'erstrecken, bis zu der sich in der ersten Hauptoberfläche die Sperrschicht ausbreitet, die gebildet wird, wenn der pn-übergang zwischen dem Substrat und dem ersten Bereich, angrenzend an den äussersten zweiten Bereich, durchschlägt, mit einer ersten Hauptelektrode, die zu einem abgegrenzten Bereich der ersten Hauptoberfläche des Substrats einen ohmschen Kontakt herstellt, und mit einer zweiten Hauptelektrode, die einen ohmschen Kontakt zur zweiten Hauptoberflache des Substrats herstellt, gekennze i chne t durch Ringnuten, die in der ersten Hauptoberfläche zwischen dem ersten Bereich und dem innersten der zweiten Bereiche, der dem ersten Bereich benachbart liegt, und zwischen den zweiten Bereichen selbst, angeordnet sind, wobei die Grundflächen dieser Ringnuten flacher als die Grundflächen der ersten und zweiten Bereiche sind und die Ränder der pn—Übergänge zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat und alle Ränder mit Ausnahme des äussersten

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Randes aller pn-Übergänge zwischen den zweiten Bereichen und dem Substrat in die Oberflächen der Ringnuten münden oder in diesen freiliegen, durch eine Ausnehmung, die in den Aussenrand des äussersten der zweiten Bereiche so eingeschnitten ist, dass der Teil des parallel zur ersten Substrathauptoberfläche liegenden pn-Überganges zwischen dem äussersten der zweiten Bereiche und dem Substrat in der Oberfläche der Ausnehmung freiliegt, und durch ein elektrisch isolierendes Material, das die Oberflächen der Ringnuten und die Oberfläche der Ausnehmung bedeckt bzw. die Nuten und die Ausnehmung ausfüllt.
6. Bauelement nach Anspruch 5> dadurch gekennzeich net , dass der Rand des pn-Überganges zwischen dem ersten Bereich und dem Substrat und die Ränder aller pn-Übergänge zwischen den zweiten Bereichen und dem Substrat mit Ausnahme des äussersten Randes des äussersten zweiten Bereiches in den Grundflächen der Ringnuten freiliegen.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass das elektrisch isolierende Material Glas ist.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7» dadurch

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ge kenn ze i chne t , dass die Ausnehmung eine Nut ist, deren Grundfläche tiefer als die Grundfläche der zweiten Bereiche liegt.

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