DE68926261T2 - Symmetrische sperrende Hochdurchbruchspannungshalbleiteranordnung und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft in allgemeinen Hochdurchbruchsspannungs-Halbleiterstrukturen und Herstellungsverfahren für diese.
• Es gibt viele Schaltungsanwendungen für Halbleiterstrukturen, welche angelegte Spannungen mit unterschiedlichen Polaritäten symmetrisch sperren, und die hohe Rückwärts-Durchbruchsspannungen haben. Bein Herstellen solcher Einrichtungen müssen die Geometrien und Eigenschaften der Grenzschichten der Einrichtung kontrolliert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Einrichtung mit einer lateralen, anstelle einer vertikalen Struktur hergestellt wird. Indem der untere Grenzschichtabschluß der Einrichtung zur Oberseite des Wafers gebracht wird, können die Symmetrie- und Durchbruchseigenschaften der Einrichtung besser kontrolliert werden. Dies erfordert jedoch, daß das Substrat der Einrichtung elektrisch mit der Oberseite des Wafers verbunden ist. Während Methoden zum Verbinden des Substrats einer Halbleiterstruktur mitdessen Oberfläche bekannt sind, haben diese im allgemeinen Nachteile, welche die Herstellung der Halbleiterstrukturen komplizierter machen, z.B. ist es notwendig, für jeden einzelnen Chip Verarbeitungsschritte durchzuführen. Aus den Gesichtspunkt der Herstellung ist dies schwierig und somit nachteilig.
• Die US-A-4 215 358 offenbart eine tafelbergartige Halbleiterstruktur (Mesa-Halbleiterstruktur) mit einem Halbleitersubstrat des (N+)-Typs, einer Halbleiterschicht des P-Typs, welche epitaktisch auf dem Substrat gewachsen ist, einem Hauptbereich des N-Typs, der sich von einer anderen Oberfläche der Epitaxialschicht in die Epitaxialschicht hineinerstreckt, einer geneigten Seitenwand, welche sich von der Oberfläche der Epitaxialschicht durch die Epitaxialschicht und in das Substrat hineinerstreckt, und einer dünnen Schicht aus Unreinheiten oder Stärstellen des N-Typs, welche in die geneigte Seitenwand implantiert sind, um einen PN-Übergang zwischen dem Substrat und der Epitaxialschicht zu schützen.
• Es ist wünschenswert, eine Halbleiterstruktur mit relativ einfachem Aufbau, symmetrischen Sperreigenschaften und einer hohen Durchbruchsspannung vorzusehen, wobei ihr Substrat elektrisch mit aktiven Schichten an ihrer Oberseite verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Einrichtung, das für die Massenproduktion geeignet ist. Dies ist die Aufgabe, welche die vorliegende Erfindung sich stellt.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bietet ein einfaches und brauchbares Verfahren zum Herstellen von Halbleiterstrukturen der Bauart mit mehreren diffundierten Bereichen in einer auf einem Substrat angeordneten Epitaxialschicht, wobei ein unterer Grenzschichtabschluß der Einrichtung mittels einer elektronischen Verbindung des Substrats mit einer aktiven Schicht der Oberseite zu der Oberseite der Einrichtung gebracht wird. Mit diesen Verfahren können Halbleiterstrukturen hergestellt werden, welche symmetrische Sperreigenschaften und eine hohe Rückwärts-Durchbruchsspannung haben.
• Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiterstruktur vorgesehen, mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Epitaxialschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf dem Substrat angeordnet ist; einem Hauptbereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der sich von einer Oberseite der Epitaxialschicht in diese hinein erstreckt; einer geneigten Seitenwand, welche sich von der Oberseite der Epitaxialschicht durch die Epitaxialschicht und in das Substrat hinein erstreckt; und einer dünnen implantierten Schicht aus Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in der geneigten Seitenwand; die Halbleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine symmetrisch sperrende Halbleiterstruktur mit hoher Durchbruchsspannung ist und die folgenden weiteren Merkmale aufweist: einen Nebenbereich des ersten Leitfähigkeitstyps der sich von der Oberseite der Epitaxialschicht in die Epitaxialschicht hinein erstreckt und den Hauptbereich umgibt, wobei der Nebenbereich einen Abstand zu dem Hauptbereich einhält und die geneigte Wand sich durch den Nebenbereich hindurcherstreckt, um einen niederohmigen Weg für die elektrische Verbindung des Nebenbereichs mit dem Substrat zu bilden.
• Gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer symmetrisch sperrenden Halbleiterstruktur mit hoher Durchbruchsspannung vorgesehen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Vorsehen eines Substrats aus einen Halbleiterwerkstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps, auf dem eine Epitaxialschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; Bilden von ersten und zweiten mit seitlichen Zwischenräumen angeordneten Bereichen des ersten Leitfähigkeitstyps in einer Oberfläche der Epitaxialschicht, wobei der erste und der zweite Bereich mit der Epitaxialschicht jeweils einen ersten bzw. einen zweiten PN- Übergang bilden; Ausbilden einer Rille mit einer geneigten Seitenwand in den zweiten Bereich, wobei sich die Rille von der Oberfläche der Epitaxialschicht in das Substrat hineinerstreckt; Implantieren von Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand der Rille, um eine dünne implantierte Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps auszubilden; und Glühen der Einrichtung in ausreichendem Maße, um die Störstellen in der implantierten Schicht zu aktivieren, um einen niederohmigen Weg auszubilden, der den zweiten Bereich mit dem Substrat verbindet.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsfom der Erfindung werden mehrere Einrichtungen gleichzeitig auf einen Wafer ausgebildet, wodurch die Handhabung und Verarbeitung vereinfacht wird. Die Verbindung des Substrats mit der Oberfläche des Wafers kann hergestellt werden, nachdem die meisten, wenn nicht alle der herkömmlichen Verarbeitungstechniken abgeschlossen sind, welche zum Ausbilden der Einrichtung erforderlich sind. Bei dieser Verbindungsstelle kann eine V-förmige Rille in die Oberfläche des Wafers geschnitten werden, welche den Nebenbereich durchschneidet, und die Oberflächenqualität der Seitenwände der Rille kann durch chemisches Ätzen wiederhergestellt werden. Störstellen des richtigen Typs können dann in die Seitenwände der Rille implantiert werden, und die Einrichtung kann nachfolgend in ausreichendem Maße geglüht werden, um die Störstellen zu aktivieren und das Substrat elektrisch mit der Oberfläche zu verbinden. Nach Bedarf kann eine Passivierungsschicht auf die Seitenwände der Rille aufgebracht werden, um die Herstellung zu vervollständigen. Danach können die einzelnen Bauteile bei den Rillen voneinander getrennt werden.
• Gemäß eines Aspekts der Erfindung soll ein Verfahren vorgesehen werden, welches die Grenzschichten zum Sperren der Rückwärtsspannung in einer Halbleiterstruktur mit PNP-Strukturen zur Oberseite des Wafers bringt.
• Gemäß eines anderen Aspekts soll eine Halbleiterstruktur vorgesehen werden, bei der eine geneigte Seitenwand das Substrat der Einrichtung elektrisch mit der Oberseite der Einrichtung verbindet.
• Gemäß eines weiteren Aspekts soll eine Halbleiterstruktur mit einer PNP-Struktur vorgesehen werden, bei der ein tiefer Rückwärtsspannungs-Sperrübergang an der Oberfläche der Einrichtung abgeschlossen wird.
• Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als auch der Betriebsverfahren anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In den Figuren zeigen:
• Fig. 1A bis 1E eine Reihe von Schnittdarstellungen, welche aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einer ersten Ausführungsfom der Erfindung zeigen;
• Fig. 2A bis 2D eine weitere Reihe von Schnittdarstellungen, welche aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigen; und
• Fig. 3 eine Teil-Schnittdarstellung, die eine Modifikation der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
• Die Erfindung ist insbesondere für die Herstellung einer Halbleiterstruktur geeignet, welche symmetrische Sperreigenschaften und eine hohe Durchbruchsspannung hat und die in diesen Kontext beschrieben ist. Die Erfindung kann z.B. zum Herstellen von Einrichtungen, wie Transistoren mit isoliertem Gate (IGT) und MOS-gesteuerten Thyristoren (MCT) verwendet werden, und sie eignet sich besonders für Einrichtungen, bei denen das Substrat stark dotiert und im Vergleich zu den aktiven Schichten der Einrichtung angemessen dick ist.
• Die Fig. 1A bis 1E zeigen aufeinanderfolgende Verarbeitungsschritte während der Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einer ersten Ausführungsforn der Erfindung. Die Erfindung befaßt sich nicht mit den herkömmlichen Schritten, welche zum Herstellen einer Halbleiterstruktur notwendig sind, wie die verschiedenen Maskierungs-, Implantations- oder Diffusionsschritte, welche zum Ausbilden der unterschiedlichen aktiven Bereiche des P- oder des N-Typs notwendig sind, und die Figuren zeigen diese nicht. Die in den Fig. 1A bis 1E gezeigten Schritte sind solche, welche gemäß der vorliegenden Erfindung der Einrichtung symmetrische Sperreigenschaften verleihen und die Durchbruchsspannung der Einrichtung beeinflussen. Ferner sind der Klarheit halber und für die bessere Darstellung die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet.
• In Fig. 1A ist die beispielhafte Halbleiterstruktur in einem speziellen Stadium kurz vor der Fertigstellung gezeigt. Die Einrichtung kann auf einen Halbleiterwafer 12, z.B. aus Silizium, ausgebildet sein, welcher ein stark dotiertes N&spplus;-Substrat 14 aufweist, auf dem eine leicht dotierte P&supmin;-Epitaxialschicht 16 gewachsen ist, wie beim Einsatz üblicher Epitaxieverfahren. In die Oberseite 18 der Epitaxialschicht kann ein erster oder Haupt-N-Basisbereich 20 und ein zweiter oder Neben-N-Basisbereich 22 diffundiert sein, der den diffundierten Hauptbereich 20 umgibt und mit seitlichen Zwischenraum zu diesem angeordnet ist. Der Neben-N-Basisbereich 22 kann z.B. ringförmig oder rechteckig in der Ebene der Oberfläche der Epitaxialschicht ausgebildet sein. Der Haupt- und der Neben-N-Basisbereich bilden einen ersten bzw. einen zweiten P-N-Übergang 24 und 26 mit der Epitaxialschicht 16. Der Übergang 24 des Haupt-N-Basisbereiches kann an seinen Seiten durch eine Übergangsabschlußerweiterungs-Diffusion (JTE-Diffusion) 28 des N-Typs abgeschlossen sein, und der Übergang 26 des Neben-N-Basisbereichs kann auf ähnliche Weise an seinen beiden Seiten durch eine JTE-Diffusion 30 des N-Typs abgeschlossen sein. JTE (= Junction Termination Extension) ist ein Verfahren zum Vermindern der Oberflächen- und Massefelder in einem Übergangsabschluß (siehe V.A.K. Temple, "Increased Avalanche Breakdown Voltage and Controlled Surface Electric Fields Using a Junction Termination Extension (JTE) Technique", IEEE Transactions on Electron Devices ED30, Seiten 954-957, 1983). Dieses Verfahren stellt die bevorzugte Wahl dar, es gibt jedoch eine große Anzahl von alternativen Verfahren, die eingesetzt werden können, einschließlich die Verwendung von Feldringen und Feldplatten. Bei jeder JTE-Diffusion variiert die Konzentration der Donator- Störstellen mit dem lateralen Abstand zu der Seite der N-Basis, und sie variiert mit der Tiefe von der Oberseite 18 der Epitaxialschicht, die Konzentration nimmt mit dem lateralen Abstand und mit der Tiefe in der Epitaxialschicht ab. Benachbarte Abschnitte der JTE-Diffusion 28 und 30 sind an ihren Oberseiten durch einen lateralen oder seitlichen Spalt 34 an der Oberfläche der P&supmin;-Epitaxialschicht 16 getrennt.
• Die Oberseite 18 der Epitaxialschicht 16 kann mit einer Passivierungsschicht 36, z.B. aus Glas oder Siliziumnitrid, beschichtet sein, in der Öffnungen 38 und 40 vorgesehen sind, durch welche auf den Haupt- und den Neben-N-Basisbereich 20 bzw. 22 zugegriffen werden kann. Ein Metallkontakt 44, z.B. aus Aluminium, mit einer damit verbundenen Elektrode 46 kann über die Öffnung 38 an dem Haupt-N-Basisbereich 20 angebracht werden, um eine elektrische Verbindung zu diesem vorzusehen. Eine metallene Kontaktschicht 50 an der Rückseite mit einer damit verbundenen Elektrode 52 kann an der Unterseite des Substrats 14 vorgesehen werden und überdeckt vorzugsweise die gesamte Rückseite des Substrats. Wie unten noch mit weiteren Einzelheiten beschrieben wird, werden gleichzeitig mehrere Halbleiterstrukturen Seite an Seite auf dem Wafer 12 ausgebildet.
• Die Dicke und der Dotierungspegel der Schicht 16 werden durch den gewünschten Spannungspegel festgelegt und sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Für eine 1000 Volt-Struktur hat die Epitaxialschicht 16 z.B. eine Dicke in der Größenordnung von 150 Mikrometern und eine Akzeptorkonzentration, z.B. Bor, in der Größenordnung von 10¹&sup4; Atomen/cm³. Die N-Basisdiffusion kann eine Grenzschichttiefe in der Größenordnung von 10 Mikrometern und eine Donatorkonzentration, z.B. Phosphor, in der Größenordnung von 5,0 x 10¹&sup6; Atomen/cm haben. Die JTE-Diffusion kann eine Grenzschichttiefe (in ihren Bereichen mit einer Konzentration von 100%) in der Größenordnung von 10,9 Mikrometern und eine Oberflächenkonzentration in der Größenordnung von 8,5 x 10¹&sup5; Atomen/cm³ haben.
• Wie in Fig. 1B gezeigt, kann zum elektrischen Verbinden des Substrats 14 mit der Oberfläche 18 der Struktur und insbesondere mit dem Neben-N-Basisbereich 22 der Neben-N-Basisbereich über seine gesamte Länge in der Ebene der Oberfläche durch eine V-förmige Rille 60 durchschnitten sein, welche sich durch den N-Basisbereich und die Epitaxialschicht in das Substrat hinein erstreckt. Die Rille 60 muß nicht unbedingt V-förmig sein, sie hat jedoch vorzugsweise Seitenwände 62, die geneigt sind, d.h. schräg relativ zur Vertikalen. Die Rille kann mit einer handelsüblichen Siliziumsäge mit einem Sägeblatt in Form einer V-förmigen Rille ausgebildet werden; alternativ kann die Rille vorzugsweise geätzt, mit einem Laser geschnitten oder mechanisch abgeschrägt sein. Wesentlich ist dabei, daß sich die Rille in das Substrat hineinerstreckt, weil die elektrische Verbindung zwischen den Substrat und der Oberfläche des Wafers den Wänden der Rille folgt, wobei jedoch bevorzugt ist, daß sich die Rille nur ein kurzes Stück in das Substrat hineinerstreckt, so daß die Masse des Substrats unversehrt bleibt und eine übermäßige Schwächung des Wafers verhindert wird. Das Ausbilden der Rille findet vorzugsweise statt, nachdem alle anderen Verarbeitungsschritte der planaren Waferstruktur 12 abgeschlossen sind, wie in Fig. 1A gezeigt. Der Grund hierfür ist, daß Wafer mit Rillen zerbrechlich sind und leichter während der Handhabung brechen, und daß die gleichmäßige Verteilung von Photoresist über eine gerillte Oberfläche bestenfalls schwierig ist.
• Nach dem Ausbilden der V-förmigen Rille in dem Neben-N-Basisbereich 22, wie in Fig. 1B gezeigt, kann der Wafer chemisch geätzt werden, wodurch eine gewisse Menge des Siliziums an den Seitenwänden 62 der Rille 60 entfernt wird, um die Oberflächenqualität wiederherzustellen, welche während des Verfahrens zum Ausbilden der Rille beeinträchtigt worden sein kann. Eine Siliziumsäge z.B. ist ein Werkzeug, welches einen Abrieb erzeugt, der Mikrorisse und Kerben in der Oberfläche des Siliziums hinterläßt, und diese können durch chemisches Ätzen weitgehend entfernt werden. Fig. 1C zeigt die Rille 60 nach dem Ätzvorgang. Wie gezeigt, nimmt die Rille nach dem Ätzen eine rundere Form an.
• Nachdem das Ätzen der Rille beendet ist, wird das Substrat elektrisch mit den Neben-N-Basisbereich 22 verbunden, indem eine dünne N&spplus;-Schicht 64 auf den Seitenwänden der Rille ausgebildet wird, wie in Fig. 1D gezeigt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine hohe Konzentration von Akzeptorstörstellen des N-Typs, wie Phosphor, in die Seitenwände der Rille implantiert wird und der Wafer bei einer niedrigen Temperatur geglüht wird, um die Störstellen elektrisch zu aktivieren. Das Implantieren wird durch die Tatsache erleichtert, daß die Seitenwände der Rille gegenüber der Vertikalen geneigt sind. Der Niedertenperatur-Glühvorgang kann z.B. das Erhitzen des Wafers auf eine Temperatur in der Größenordnung von 450ºC während einer Zeit in der Größenordnung von 30 Minuten umfassen. Es ist ausreichend, die Störstellen elektrisch zu aktivieren, ohne daß sie sehr weit in das Material der Seitenwände diffundieren. Der Niedertemperatur-Glühvorgang ergibt eine ziemlich dunne implantierte Schicht 64 aus einem Material des N-Typs mit einer Dicke in der Größenordnung von beispielsweise 0,25 Mikrometern. Die implantierte Schicht auf den gegenüberliegen den Seitenwänden der Rille bildet einen niederohmigen Pfad, der das Substrat elektrisch mit den beiden Teilen des Neben-N- Basisbereiches 22 verbindet, welche dadurch entstehen, das der einteilige Neben-N-Basisbereich, wie gezeigt, durch die Rille durchschnitten wird.
• Die implantierte Seitenwandschicht 64 kann durch Aufbringen einer Passivierungsschicht 66 passiviert werden, beispielsweise mit einen Polyimid, wie in Fig. 1E gezeigt. Die fertige Halbleiterstruktur 10 kann dann bei den Rillen 60 von dem Wafer getrennt werden, wie durch die Mittellinien 70 und 72 angedeutet ist. Man beachte, daß dann, wenn die aktivierte implantierte Ladung größer ist als 3 x 10¹² oder 4 x 10¹²/cm², die Oberfläche der Seitenwand bei einem elektrischen Feld von null ist, was dazu führt, daß die Passivierung der Seitenwände weggelassen werden kann.
• Vorzugsweise sollen gleichzeitig mehrere Strukturen auf einem Wafer 12 hergestellt werden. Die Strukturen können so auf dem Wafer angeordnet werden, daß jede Hälfte einer Rille 60 Teil einer angrenzenden Struktur bildet. Links der Mittellinie 70 und rechts der Mittellinie 72 in Fig. 1E liegen somit vorzugsweise weitere Strukturen 10' und 10", die identisch mit der Halbleiterstruktur 10 sind. Die Strukturen 10, 10' und 10" können getrennt werden, indem der in Fig. 1E gezeigte Wafer bei den Rillen, d.h. bei den Linien 70 und 72, durch Brechen oder Schneiden getrennt wird. Die getrennten Strukturen können dann auf herkömmliche Weise mit einem Gehäuse versehen werden.
• Ein beträchtlicher Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, daß sie eine im wesentlichen vollständige Herstellung einer Vielzahl von Strukturen erlauben, während diese noch in Form eines Wafers vorliegen, bevor jeder einzelne Chip aus dem Wafer herausgebrochen wird. Dies ist aus mechanischen Gesichtspunkten wichtig, weil ein Wafer wesentlich leichter gehandhabt und verarbeitet werden kann als ein einzelner Chip. Ferner ist es, wie bereits bemerkt, einfacher, Störstellen in die geneigten Seitenwände der Rillen zu implantieren als Störstellen in vertikale Seitenwände von Rillen zu implantieren. Nach der Passivierung der Seitenwandimplantate beim Fertigstellen der Struktur bieten die Rillen eine geeignete Stelle zum Aufteilen des Wafers in einzelne Chipstrukturen.
• Die Strukturen in dem Wafer, die in den Fig. 1A bis 1E dargestellt sind, zeigen im wesentlichen nur drei Schichten, welche für ein symmetrisches Sperren notwendig sind, und sie könnten mit "Breitbasistransistor" oder "WBT" (Wide Base Transistor) bezeichnet werden. Der Wafer enthält einen mittleren WBT und einen Rand-WBT. Der Anschluß 46 umfaßt den "oberen" Anschluß, und der Anschluß 52 umfaßt den "unteren" Anschluß. Der mittlere WBT umfaßt das Substrat, die Haupt-N-Basisdiffusion 20 und die Epitaxialschicht, und die Diffusion sowie der Aufbau des JTE-Abschluß können äquivalent zu denen der heutigen IGT- oder MCT-Strukturen sein. Der seitliche WBT umfaßt das Substrat, die Oberflächen-N-Basisdiffusion 22 und die JTE-Bereiche (dieselben Diffusionen wie die mittlere Diode), die N-Seitenwandschicht 64 und das N&spplus;-Substrat 14. Durch Verwenden ähnlicher Geometrien für die Grenzschichtanschlüsse des mittleren und des seitlichen WBTS und durch Kontrollieren der Breite des seitlichen oder lateralen Epitaxiespaltes 34 und der Dotierungskonzentration der Epitaxialschicht kann eine Struktur 10 mit symmetrischen Sperreigenschaften vorgesehen werden. Der Durchbruch einer der Grenzschichten (Übergänge) sollte dann in der Masse des Siliziums bei den Grenzschichtabschlüssen auftreten, und die identischen Abschlußgeometrien sollten symmetrische Durchbruchsspannungen erzeugen. Die Epitaxialschicht 16 sollte für ein symmetrisches Sperren gleichmäßig dotiert sein. Wenn die obere Grenzschicht des mittleren WBT in Sperrrichtung vorgespannt ist, sperrt sie eine Spannung, ebenso wie eine herkömmliche asymmetrische MCT- oder IGT-Struktur, und ein Durchbruch tritt bei den Bereichen 74 an den Seiten der Haupt-N-Basisdiffusion 20 auf, wo die Grenzschicht von der JTE-Diffusion 28 abgeschlossen ist. Ähnlich tritt, wenn die seitlichen WBTs in Sperrichtung vorgespannt sind, in den Bereichen 76 an den Seiten der Neben-N-Basisdiffusion 22 der Durchbruch auf, wenn diese von der JTE-Diffusion 30 abgeschlossen sind. Ein Hauptvorteil liegt darin, daß die Oberflächenfeldbereiche der mittleren und seitlichen WBTs gleichzeitig hergestellt werden und beide passiviert werden, bevor die Rille ausgebildet, die Rille geätzt und implantiert wird.
• Fig. 2A bis 2D zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, mit der etwas andere Halbleiterstrukturen hergestellt werden. Die Fig. 2A bis 2D unterscheiden sich von den Fig. 1A bis lE darin, daß die Fig. 1A bis 1E die Herstellung einer gesamten Struktur 10 darstellen, die später bei den beiden V- förmigen Rillen (bei den Linien 70 und 72) auf gegenüberliegenden Seiten der Struktur von ihrem Wafer getrennt wird. Im Gegensatz dazu zeigen die Fig. 2A bis 2D die Herstellung von jeweils einer Hälfte von zwei Strukturen, die anschließend bei einer Mittellinie 84 getrennt werden. Jede dieser Strukturen ist relativ zu ihrer Mitte symmetrisch, und die Fig. 2A bis 2D zeigen anschaulich die gleichzeitige Herstellung mehrerer Strukturen.
• Ein Hauptunterschied zwischen der Struktur, die in den in den Fig. 2A bis 2D dargestellten Etappen hergestellt wird, und der Struktur 10 der Fig. 1E ist, daß die Struktur 80 keine Grenzschichtabschlußerweiterung verwendet, um ihre Grenzschichten oder Übergänge abzuschließen. Stattdessen werden mehrere Feldringe eingesetzt, um eine hohe Durchbruchsspannung zu erzielen. Ferner zeigen die Fig. 2A bis 2D eine PNP-Struktur, während die Fig. 1A bis 1E eine NPN-Struktur wiedergeben. Man beachte jedoch, daß die Leitfähigkeitstypen der beiden Strukturen nur ein Beispiel sind, und daß sie umgekehrt werden können, um eine Struktur des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps herzustellen.
• Fig. 2A zeigt einen Wafer 86 mit einem Substrat 88 aus einem stark dotierten P&spplus;-Material mit einer darauf ausgebildeten schwach dotierten N&supmin;-Epitaxialschicht 90, welche eine Dicke in der Größenordnung von 150 Mikrometern hat. Auf der Oberseite 92 der Epitaxialschicht können ein erster und ein zweiter Hauptbereich 94 bzw. 96 des P-Typs eindiffundiert sein; einer für jede der beiden Strukturen auf entgegengesetzten Seiten der Mittellinie 84. Ein Nebenbereich 98 aus einem Werkstoff des P-Typs kann ebenfalls in die Oberseite der Epitaxialschicht eindiffundiert sein, und zwar in der Mitte zwischen den Hauptbereichen 94 und 96, wie in der Figur gezeigt. Wenn der Wafer später bei der Linie 84 geteilt wird, wird jeweils eine Hälfte des Nebenbereiches 98 einer der beiden so ausgebildeten Strukturen zugeordnet. Links von der Mittellinie 84 kann der Hauptbereich 94 von dem Nebenbereich 98 mittels einer Vielzahl von konzentrischen Feldringen 100, 102, 104 getrennt sein, von denen jeder einen ringförmigen diffundierten Bereich aus einem Werkstoff des P-Typs umfassen kann, welcher den Hauptbereich 94 umgibt. Wie allgemein bekannt ist, bietet eine Feldringstruktur eine hohe Durchbruchsspannung, indem sie das angelegte Potential zwischen der Hauptgrenzschicht und den Ringgrenzschichten an der Oberfläche auf teilt, während sich der Verarmungsbereich seitlich vom Mittelpunkt der Struktur ausbreitet, d.h. von dem Haupt-Bereich 94 oder 96 des P-Typs. Die Feldringstruktur dient einer ähnlichen Funktion wie die JTE-Diffusionen der Struktur 10, wie in Fig. 1E gezeigt ist, obwohl die JTE-Diffusionen den Vorteil haben, daß sie eine höhere Durchbruchsspannung schaffen und gleichzeitig einen geringeren Oberflächenbereich benötigen.
• Auf ähnliche Weise kann der Hauptbereich 96 von dem ebenbereich 98 durch mehrere Feldringe getrennt sein, welche als ringförmige Diffusionen des P-Typs 106, 108 und 110 ausgebildet sind, welche den Bereich 96 konzentrisch umgeben. Die verschiedenen Diffusionen des P-Typs (d.h., die Haupt- und Nebenbereiche und die Feldringe) an der Oberfläche der Epitaxialschicht können durch herkömmliche Maskierung, Ausbilden einer Passivierungsschicht und Diffusion hergestellt werden, und eine Siliziumdioxidmaskierungsschicht 120 kann während des gesamten restlichen Verfahrens beibehalten werden, die dann als Passivierungsschicht der Hauptgrenzschicht oder des Hauptübergangs dient.
• Nach dem Ausbilden der Feldringe können Metallkontakte 122 und 124 an den Hauptbereichen 94 bzw. 96 vorgesehen werden, und eine sekundäre Passivierungsschicht 126, z.B. aus Siliziumnitrid oder Glas, kann über die Oberfläche 92 und die Maske 120 aufgebracht werden, wie in Fig. 28 gezeigt. Die Metallkontakte 122 und 124 sehen in der Folge einen elektrischen Kontakt zu den Hauptbereichen 94 und 96 vor. Wie in Fig. 2C gezeigt, kann danach eine auf der Linie 84 zentrierte V-förmige Rille 130 in der Oberfläche des Wafers ausgebildet werden, welche den Nebenbereich 98 schneidet. Die Rille 130 wird so ausgebildet, daß sie sich durch den Nebenbereich 98 und die Epitaxialschicht 90 in das Substrat 88 hineinerstreckt. Zusätzlich kann an der Unterseite 132 des Substrats eine Schutzschicht 134, wie ein Wachs oder ein Photoresist, aufgebracht werden, um die Unterseite vor dem chemischen Atzmittel zu schützen, das zum Reinigen der Seiten der V-förmigen Rille verwendet wird. Nach dem chemischen Ätzen der Rille zum Wiederherstellen der Oberflächenqualität ihrer Seitenwände kann in die Seitenwände eine hohe Konzentration von Störstellen des P-Typs implantiert werden, um eine dünne Schicht 140 aus implantierten Werkstoffen des P-Typs auszubilden, wie in Fig. 2D gezeigt. Die Störstellen des P-Typs in der Schicht 140 können durch ein Niedertemperatur-Glühverfahren elektrisch aktiviert werden, wie oben beschrieben wurde, um einen niederohmigen Pfad vorzusehen, der die beiden Teile des Nebenbereiches 98, welche von der Rille geschnitten werden, elektrisch mit dem Substrat 88 verbindet. Die niedrige Temperatur ist vorteilhaft, damit die Temperaturgrenzen, welche von anderen möglicherweise vorhandenen Schich ten (z.B. einer Aluminiummetallisierung) vorgegeben werden, nicht überschritten werden. Dann muß noch ein Metallkontakt an der Unterseite 132 des Substrats vorgesehen werden (die Schutzschicht 134 wurde nach dem chemischen Ätzen entfernt), und der Wafer wird bei der V-förmigen Rille, etwa bei der Linie 84, zerbrochen, um die beiden fertigen Strukturen 80 zu trennen. Vor dem Trennen kann die Implantation der Seitenwand des P-Typs 140 passiviert werden, indem eine weitere Passivierungsschicht aufgebracht wird.
• Alternativ ist es möglich, bei dem in Fig. 2D gezeigten Schritt eine herkömmliche Diffusion durchzuführen, um die Seitenwand zu implantieren. In diesen Fall muß dann, wenn Metall eingesetzt wird, dies ein schwer schmelzendes (refraktives) Metall oder ein schwer schmelzendes Metall-Silizid sein, so daß es die hohen Temperaturen einer herkömmlichen Diffusion aushalten kann. Danach kann der Wafer metallisiert werden, z.B. mit Aluminium, und mit einen negativen Resist kann ein Muster ausgebildet werden, welches freiliegende Bereiche abdeckt oder schützt und keine Stufen-Abdeckung oder hohe Lichtintensität in den Rillen erfordert, wie bei einem positiven Resist. In einigen Fällen kann es auch wünschenswert sein, die mittleren Feldringdiffusionen 102 und 108 durch eine N&spplus;-Feldunterbrechungsdiffusion zu ersetzen, um bessere Durchbruchseigenschaften zu erreichen. Eine solche Feldunterbrechungsdiffusion oder Feldstoppdiffusion kann auch in Falle von JTE nützlich sein. Bei der in Fig. 1 gezeigten Struktur würde dies das Vorsehen einer Diffusion des P-Typs in der Mitte des Bereiches 34 erfordern. Eine Feldunterbrechungsdiffusion 35 dieses Typs ist in Fig. 3 gezeigt. Eine solche Diffusion fügt einen zusätzlichen Raum zu dem Abschluß hinzu, weil die Feldunterbrechungsbreite zwischen etwa 0,5 und 1,0 Verarmungsbreiten des Sperrbereichs sein sollte und von den Bereichen 30 und 28 etwa gleichweit entfernt sein sollte. Wenn die Oberflächenladung klein ist oder eine entgegengesetzte Polarität zu der verarmten JTE oder den Feldringen hat, dann wäre eine solche N&spplus;-Feldunterbrechungsdiffusion nicht notwendig.
• Die in den Fig. 2A bis 2D gezeigten Verarbeitungsschritte bieten dieselben Vorteile, wie die weiter oben mit Bezug auf die Fig. 1A bis 1E erläuterten, indem sie eine vollständige Herstellung mehrerer Strukturen erlauben, während diese Strukturen noch in Form eines Wafers vorliegen. Auch ist der Einsatz einer Rille mit geneigten Seitenwänden, wie der V-förmigen Rillen 64 und 130, günstig, weil er die Implantation von Störstellen in die Seitenwände erlaubt, um das Substrat elektrisch mit den diffundierten Bereichen an der Oberseite des Wafers zu verbinden. Dies ist besonders vorteilhaft, weil es die Verlegung des unteren Grenzschichtübergangs der Struktur zu der Oberfläche ermöglicht und die Herstellung einer symmetrisch sperrenden Struktur mit hoher Durchbruchsspannung erlaubt, weil an der Oberfläche eine bessere Steuerung der Geometrie und der Eigenschaften der diffundierten Bereiche möglich ist.

Claims (25)

1. Halbleitereinrichtung, mit einem Halbleitersubstrat (14;88) eines ersten Leitfähigkeitstyps; einer Epitaxialschicht (16;90) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf dem Substrat (14;88) aufgebracht ist; einem Hauptbereich (20;94) des ersten Leitfähigkeitstyps, der sich von einer Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht in die Epitaxialschicht (16;90) hinein erstreckt; einer geneigten Seitenwand (62), welche sich von der Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90) durch die Epitaxialschicht und in das Substrat (14;88) hinein erstreckt; und einer dünnen implantierten Schicht aus Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps (64;140) in der geneigten Wand (82), wobei die Halbleitereinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine symmetrische sperrende Halbleitereinrichtung mit hoher Durchbruchsspannung ist und die folgenden weiteren Merkmale aufweist: ein Nebenbereich (22;98) des ersten Leitfähigkeitstpys, der sich von der Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90) in die Epitaxialschicht hinein erstreckt und den Hauptbereich (20;94) umgibt, wobei der Nebenbereich (22;98) einen Zwischenraum zu dem Hauptbereich (20;94) aufweist, und die geneigte Seitenwand (62) sich durch den Nebenbereich (22;98) erstreckt, so daß die dünne implantierte Schicht aus Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps (64;140) einen niederohmigen Pfad für die elektrische Verbindung des Nebenbereiches (22;98) mit dem Substrat (14;88) bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit Mitteln (28,30;100...110) zum Steuern der symmetrischen Sperrung und Durchbruchsspannung der Einrichtung, welche zwischen dem Haupt- und dem Nebenbereich (20;94, 22;98) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Mittel zum Steuern der symmetrischen Sperrung und Durchbruchsspannung der Einrichtung eine erste Übergangsabschlußerweiterung (28) des ersten Leitfähigkeitstyps aufweisen, die sich seitlich von dem Hauptbereich (20) in Richtung zu dem Nebenbereich (22) erstreckt, und eine zweite Übergangsabschlußerweiterung (30) des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, die sich seitlich von dem Nebenbereich (22) in Richtung zu der ersten Übergangsabschlußerweiterung (28) erstreckt, und bei der die Epitaxialschicht (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps gleichmäßig dotiert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der die Mittel zum Steuern der symmetrischen Sperrung und Durchbruchsspannung der Einrichtung ferner einen Feldunterbrechungsbereich (35) aufweisen, der zwischen der ersten und der zweiten Übergangsabschlußerweiterung (28,30) liegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der der Feldunterbrechungsbereich Störstellen des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei der die Übergangsabschlußerweiterungen (28,30) Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit Konzentrationen aufweisen, welche seitlich von den Seiten des Hauptbereiches (20) und des Nebenbereiches (22) aus und vertikal von der Oberseite (18) der Epitaxialschicht (16) aus mit der Tiefe variieren.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die erste und die zweite Übergangsabschlußerweiterung (28,30) bei der Oberseite (18) der Epitaxialschicht (16) durch einen Teil der Epitaxialschicht (16) getrennt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der die Mittel zum Steuern der symmetrischen Sperrung und Durchbruchsspannung der Einrichtung mehrere konzentrische Feldringe (100...110) aufweisen, die sich von der Oberseite (92) der Epitaxialschicht (90) zwischen den Haupt- und dem Nebenbereich (94,98) in die Epitaxialschicht hinein erstrecken.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Mittel zum Steuern der symmetrischen Sperrung und Durchbruchsspannung der Einrichtung ferner eine Feldunterbrechungsdiffusion aufweisen, die zwischen inneren und äußeren Feldringen (100,104,106,110) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, bei der die Feldunterbrechungsdiffusion den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zu den Feldringen (100,104,106,110) aufweist.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit ferner einer ersten Passivierungsschicht (36;120,126), welche die Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90) überdeckt, und einer zweiten Passivierungsschicht (66), welche die dünne implantierte Schicht (64;140) in der Seitenwand (62) überdeckt.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, bei der die zweite Passivierungsschicht (66) Polyamid aufweist.

13. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit ferner einer ersten Elektrode (46), die mit dem Hauptbereich (20;94) verbunden ist, und einer zweiten Elektrode (52), die mit einer Rückseite des Substrats (14;88) verbunden ist.

14. Verfahren zum Herstellen einer symmetrisch sperrenden Halbleitereinrichtung mit hoher Durchbruchsspannung, mit den folgenden Verfahrensschritten: Vorsehen eines Substrats (14;88) aus einem Halbleiterwerkstoff eines ersten Leitfähigkeitstyps, auf dem eine Epitaxialschicht (16;90) eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist; Bilden von ersten und zweiten mit seitlichen Zwischenräumen an geordneten Bereichen (20,22;94,98) des ersten Leitfähigkeitstyps in einer Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90), wobei der erste und der zweite Bereich (20,22;94,98) mit der Epitaxialschicht (16;90) jeweils einen ersten bzw. einen zweiten PN-Übergang (24,26) bilden; Ausbilden einer Rille (60;130) mit einer geneigten Seitenwand (62) in dem zweiten Bereich (22;98), wobei sich die Rille (60;130) von der Oberseite (18;92) durch den zweiten Bereich (22;98) und die Epitaxialschicht (16;90) in das Substrat (14;88) hinein erstreckt; Implantieren von Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand (62) der Rille (60;130), um eine dünne implantierte Schicht (64;140) des ersten Leitfähigkeitstyps auszubilden; und Glühen der Einrichtung in ausreichendem Maße, um die Störstellen in der implantierten Schicht (64;140) zu aktivieren, um einen niederohmigen Pfad auszubilden, welcher den zweiten Bereich (22;98) mit dem Substrat (14;88) verbindet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ferner der erste und der zweite PN-Übergang (24,26) abgeschlossen werden, um eine hohe Durchbruchsspannung und eine symmetrische Sperrung zu erreichen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt der Abschlußbildung des ersten und des zweiten PN-Übergangs (24,26) das Hinzufügen einer Übergangsabschlußerweiterung (28,30) des ersten Leitfähigkeitstyps bei jeder Seite des ersten und des zweiten Bereiches (20,22) umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Übergangsabschlußerweiterung (28,30) eine Diffusion aus Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit einem seitlichen Konzentrationsgradienten und einem Tiefenkonzentrationsgradienten umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, mit dem weiteren Verfahrens schritt: Diffundieren von Feldunterbrechungsunreinheiten des zweiten Leitfähigkeitstyps in die Epitaxialschicht (16) zwischen den Übergangsabschlußerweiterungen (28,30) bei jeder Seite des ersten und des zweiten Bereichs (20,22).

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem der erste und der zweite Bereich (20,22;94,98) durch Diffundieren von Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps durch die Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90) gebildet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Schritt der Abschlußbildung des ersten und des zweiten PN-Übergangs das Diffundieren von mehreren Feldringen (100...110) in die Oberseite (92) der Epitaxialschicht (90) umfaßt, um den ersten und den zweiten Bereich (94,98) zu trennen.

21. Verfahren nach einen der Ansprüche 14 bis 20, mit dem weiteren Verfahrensschritt: Passivieren der Oberseite (18;80) der Epitaxialschicht (16;90) vor dem Ausbilden der Rille (60;80).

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem der Schritt zur Ausbildung der Rille (60;130) das Ausbilden einer V-förmigen Rille (60;130) durch die Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90) umfaßt, so daß eine Spitze der Rille sich in das Substrat (14;88) erstreckt, sowie eine chemische Ätzung der Rille (60;130) umfaßt, um die Oberflächenqualität der Seitenwand wieder herzustellen.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, bei dem der Schritt der Implantierung von Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand (62) der Rille (60;130) das Implantieren einer hohen Konzentration von Störstellen in die Seitenwand (62) umfaßt, und der Schritt des Glühens der Einrichtung das Erhitzen der Einrichtung bei einer niedrigen Temperatur während eines vorgegebenen Zeitintervalls umfaßt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, mit dem weiteren Verfahrensschritt: Metallisieren der Oberseite (18;92) der Epitaxialschicht (16;90) bei dem ersten diffundierten Bereich (20;94), um einen ersten elektrischen Kontakt (44;122) auszubilden, und Metallisieren einer Unterseite (132) des Substrats (14;88), um einen zweiten elektrischen Kontakt (50) auszubilden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, bei dem der Schritt des Implantierens von Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps in die Seitenwand (62) der Rille (60;130) ausgeführt wird, indem ein Ladungsüberschuß von 3 x 10¹²/cm² implantiert wird.