SEMICONDUCTOR DEVICE WITH A HIGH BLOCKING CAPABILITY

Abstract: 1. Semiconductor device of high blocking capacity whose semiconductor body comprises a high resistance centre zone (1) of the one conductivity type, a higher doped contact zone (2) of the same conductivity type adjoining the centre zone (1) and forming a major face and a higher doped planar zone (3) of the other conductivity type forming with the centre zone (1) the other major face, and at least one field defining zone (4) of the other conductivity type surrounding the planar zone in spaced relationship, and being provided with corresponding contact electrodes, characterized in that in a first volume portion (I) of the semiconductor body the centre zone (1) is adjoined by a region (2a) of the contact zone (2) which is made thicker than the remaining region (2b) of the contact zone, that the area extent of the region of greater thickness (2a) is equal to or less than that of the planar zone (3), that in a second volume portion (2) in the other major face of the semiconductor body a recess (5) is formed into which the pn junction (S) existing between the centre zone (1) and the planar zone (3) opens and which extends beyond the field limiting zone (4), that the recess (5) is filled with a passivating substance (7) and that the centre zone (1) in the region (2a) of the contact zone (2) of greater thickness has a width such that the space charge layer in operation of the semiconductor device spreads into the contact zone (2).

Description: HALBLEITERBAUELEMENT HOHER SPERRFÄHIGKEIT Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement hoher Sperrfähigkeit, dessen Halbleiterkörper eine hochohmige Mitteizone des einen Leitungstyps, an seiner einen Hauptfläche eine an die Mitteizone angrenzende, höher dotierte durchgehende Kontaktzone gleichen Leitungstyps und an seiner anderen Hauptfläche eine höher dotierte Planarzone sowie wenigstens eine, diese im Abstand umschliessende Feldbegrenzungszone, jeweils vom anderen Leitungstyp, aufueist, und mit entsprechenden Kontakteiektroden versehen ist. Bei Halbleiterbauelementen hoher Sperrfähigkeit kann entsprechend der Anordnung der dotierten Zonen und der Ausbildung des Randbereichs des Halbleiterkörpers am Austritt des oder der pn-Ubergänge zwischen Planarstrukturen, Mesastrukturen und Kegelstumpfstrukturen unterschieden werden. In der angegebenen Reihenfolge ist die Sperrspannungs- belastbarkeit immer höher, aber auch der Werfahrens- aufuand zur Herstellung solcher Bauelemente immer grösser. Die Planartechnik erlaubt die Herstellung dotierter Zonen von einer Seite aus, und die pn-Übergänge verlaufen an die Oberfläche(n) dieser Seite. Die Passivierung einer solchen Struktur erfolgt durch eine Oxidschicht an der Oberfläche im Bereich des Austritts der pn-Übergänge. Die Sperrfähigkeit von Planarstrukturen kann durch Anordnung einer Feldbegrenzungszone erhöht werden, welche die den hochsperrenden pn-Übergang bildende, hochdotierte Planarzone im Abstand umschliesst und dadurch die Raumladungsschicht im Bereich des Austritts des pn-Übergangs erweitert. Für viele Anwendungsfälle reicht eine solche Feldbegrenzungszone nicht aus. Mehrere solcher Zonen reduzieren jedoch die aktive Fläche des Halbleiterkörpers erheblich und erhöhen den Aufwand an Ausgangsmaterial. Weiter ist die Passivierung von Planarstrukturen durch Oxidschichten unzureichend, weil solche Schichten nicht die genügende Dicke aufweisen. Darüberhinaus zeigen solche Oxidschichten schädliche Einschlüsse, welche die Stabilisierungswirkung nachteilig beeinflussen. Schliesslich verschlechtert sich die Oxidqualität, wenn durch mehrfaches Oxidieren eine grössere Schichtdicke erreicht werden soll. Bei Mesastrukturen werden durch Tiefenätzung tafelförmige Abschnitte hergestellt, wodurch der pn-Übergang nicht an einer Hauptfläche, sondern an einer durch Ätzen erzielten Seitenfläche austritt. Eine solche Grabenätzung ist mit hohem Ätzaufwand und wegen des sogenannten Unterätzens auch mit hohem Aufwand an Ausgangsmaterial verbunden. Durch ein solches Unterätzen entstehen ferner abgeschrägte Ätzflächen mit sogenanntem negativen Winkel, und die gewünschte Sperrfähigkeit ist nur bei der Herstellung von sehr flachen Winkeln gegeben. Damit ist aber ein beträchtlicher Verlust an aktiver Fläche verbunden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochsper-. rende Leistungshalbleiterbauelemente anzugeben, die unter Wahrung der Vorteile der Planartechnik eine gegenüber bekannten Planarbauelementen erheblich höhere Sperrfähigkeit aufweisen. Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass der der Planarzone gegenüberliegende Bereich der die eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers bildenden Kontaktzone dicker ausgebildet ist, als der übrige Bereich, dass in der anderen Hauptfläche des Halbleiterkörpers eine Aussparung angebracht ist, in welche der zwischen Mitteizone und Planarzone bestehende pn-Übergang mündet, und welche sich bis über die Feldbegrenzungszone hinaus erstreckt, dass die Aussparung mit einer passivierenden Substanz gefüllt ist, dass die lylittelzone im Bereich der Kontaktzone mit grösserer Dicke eine solche Weite aufweist, dass sich die Raumladungsschicht im Betrieb des Halbleiterbauelements bis in die Kontaktzone ausdehnt. Die Dicke des der Planarzone gegenüberliegenden Bereichs der Kontaktzone soll wenigstens das Dreifache der Dicke des übrigen Bereichs betragen. Die Aussparung ist vorzugsweise wannenförmig flach ausgebildet und mit einer glasartigen Substanz gefüllt, die negative Ladungen aufweist. Die glasartige Substanz kann aus einer ersten Teilschicht mit negativen Ladungen und aus wenigstens einer weiteren Teilschicht ohne solche Ladungen bestehen. Die Flächenausdehnung des Bereichs grösserer Dicke der Kontaktzone kann gleich der Dicke der Planarzone oder kleiner als dieselbe sein. Die Schichtenfolge kann zusätzlich eine in der Planarzone angeordnete hochdotierte äussere Zone vom einen Leitungstyp aufweisen, und die Flächenausdehnung des Bereichs grösserer Dicke der Kontaktzone ist dann vorzugsweise gleich der oder grösser als die Flächenausdehnung der äusseren Zone. Anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Transistorstruktur wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Der Halbleiterkörper nach der Erfindung besteht aus einem Volumenabschnitt I mit einer Sperrspannung aufnehmenden Zonenfolge und aus einem Volumenabschnitt II mit Ausbildungen zur erwünschten Reduzierung der Oberflächenfeldstärke. Im Voliimenabschnitt I ist an einer Seite einer hochohmigen Mitteizone 1 aus n-leitendem Ausgangsmaterial ein vergleichsweise dicker Bereich 2a einer durchgehenden hochdotierten, die eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers bildenden Kontaktzone gleichen Leitungstyps angeordnet. An die andere Seite der Mitteizone 1 grenzt die mit dieser den Sperrspannung aufnehmenden pn-Übergang S bildende hochdotierte Planarzone 3 an. Die Konzentration 13 3 der Mitteizone 1 kann beispielsweise 10 pro cm , diejenige des Abschnitts 2a der Kontaktzone 1020 pro cm3 und diejenige der Planarzone 3 10 bis 10 3. pro cm betragen. Die Planarzone 3 bildet bei einem Transistoraufbau die Basiszone und die Kontaktzone 2a bildet die Kollektorzone, während die Zone 6 als Emitterzone dient. Die Bemessung der Zonen 6 und 3 ist nicht erfindungswesentlich. Die Zone 1 ist in ihrem den äusseren Zonen 2a und 3 zugeordneten Bereich la so bemessen, dass bei vorgesehenen Sperrspannungen die Raumladungszone in die angrenzende Zone 2a eindringt. Durch deren hohe Störstellenkonzentration kann sich die Raumladungszone dort nur noch sehr wenig ausdehnen. Die Bemessung der mittleren Zone 1 im Bereich 1a ist auch bestimmt durch dynamische Eigenschaften des Halbleitbrbauelements sowie durch die Forderung nach möglichst geringem Durchlassspannungsabfall. Die Bemessung des Bereichs 2a der Kontaktzone 2 ist unkritisch. Sie richtet sich einerseits nach der Forderung einer hohen mechanischen Stabilität des Schichtenaufbaus, insbesondere bei der Herstellung und bei der Verarbeitung, und kann z.B. das 10-fache bis 12-fache des anschliessenden Abschnitts 2b im Volumenabschnitt II betragen. Andererseits ist es erforderlich, den Weg für die im Bereich des pn-Übergangs entstehende Verlustwärme durch die Schichtenfolge zur Kollektoroberfläche möglichst kurz auszubilden. Dementsprechend kann die Dicke des Bereichs 2a auch z.B. lediglich nur das 4-fache der Dicke des Bereichs 2b betragen. Im Hinblick auf eine möglichst weite Spreizung der Raumladungszone in der Zone 1 des Volumenabschnitts II soll die Dicke des Bereichs 2a der Kontaktzone 2 wenigstens das 3-fache derjenigen des Bereichs 2b betragen. Im Volumenabschnitt II ist die mittlere Zone 1 wesentlich erweitert ausgebildet und bildet im Anschluss an die Planarzone 3 die eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers. Dieser Teil der Hauptfläche ist durch die Aussparung 5 abgesetzt gegenüber dem übrigen Flächenteil. Die Aussparung 5 dient zur Aufnahme einer passivierenden Substanz 7. Sie ist wannenförmig flach ausgebildet und z.B. 2 bis 5 ssm tief, und der unkritischen geringen Tiefe wegen ist nur ein geringer Ätzaufwand erforderlich. Gemäss der Erfindung ist nun die Aussparung 5 mit einem negative Ladungen enthaltenden Glas, nachstehend Negativglas genannt, als passivierender Substanz 7 gefüllt. Die negativen Ladungen dieses Glases neutralisieren Minoritätsladungsträger in der Oberflächenschicht der n-leitenden Zone 1, welche andernfalls zu unerwünschten Oberflächenreaktionen mit der Wirkung einer Herabsetzung der kritischen Oberflächenfeldstärke der Anordnung beitragen können. Die vorgesehenen Negativgläser entstehen durch Zugabe von bekannten Halbleiter-Dotierungsstoffen in Form einer Sauerstoffverbindung zu glasbildenden Substanzen. So sind Silicatgläser mit einem Zusatz einer Borverbindung, sogenannte Borsilicatgläser, bekannt. Auch die Verwendung von Zink und Blei liefert gewünschte Negativgläser. Dieselben sind jedoch bezüglich ihrer Herstellung und Zusammensetzung nicht Gegenstand der Erfindung. Vorteilhaft ist in der Aussparung 5 zunächst eine erste Teilschicht aus einem Negativglas und darüber wenigstens eine Teilschicht aus einem Glas ohne Ladungen angeordnet. Diese Oberflächenpassivierung in Verbindung mit der Anordnung der Feldbegrenzungszone 4 und dem Verlauf der Planarzone 3 ermöglicht bei geringstem Verlust an aktiver Fläche eine Sperrspannungsbelastbarkeit, wie sie üblicherweise nur mit Kegelstumpf strukturen erreichbar ist. Die Aussparung 5 verläuft vorteilhaft bis zur Mantelfläche des Halbleiterkörpers. Sie wird vorzugsweise bereits bei der Herstellung des Halbleiterkörpers aus einer grossflächigen Ausgangs scheibe jeweils in einer sich in zwei benachbarte Halbleiterkörper erstreckenden Flächenausdehnung gebildet und mit einer passivierenden Substanz versehen. Dadurch ist dann in günstiger Weise das Trennen der Ausgangs scheibe zwischen zwei vorgesehenen Halbleiterkörpern ohne unerwünschte Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften der letzteren möglich. Die eine Hauptfläche des Volumenabschnitts II enthält die im Abstand die Planarzone 3 umschliessende Feldbegrenzungszone 4. Deren Tiefe entspricht beispielsweise der Tiefe der Planarzone 3. Ihre Breite ist unkritisch, soll möglichst gering sein und ist nur durch fertigungstechnische Gesichtspunkte bestimmt. Der Abstand der Zone 4 zum pn-Ubergang S richtet sich nach der Weite des Bereichs 1a der Mittelzone 1. Weiter grenzt der Bereich Ib der Mittelzone 1 an den schmalen Bereich 2b der durchgehenden Kontaktzone 2. Auf derselben ist die Kontaktelektrode 14 aufgebracht, die Emitterzone 6 trägt die Kontaktelektrode 12 und die Basiszone 3 die Kontaktelektrode 13. Der im wesentlichen stufenförmige Übergang zwischen den beiden Abschnitten 2a und 2b der Kontaktzone 2 liegt erfindungsgemäss innerhalb des durch die Projektion der Planarzone 3 auf die Schichtenebene gebildeten Volumenbereichs. Vorzugsweise ist die Flächenausdehnung des Kontaktzonenbereichs 2a kleiner als diejenige der Planarzone 3 und grösser als diejenige der Emitterzone 6. Die in dem Bereich 2a der Kontaktzone 2 zusammengedrängte Raumladungsschicht erweitert sich beim Übergang in den Bereich 1b der Mitteizone 1, wodurch ausserhalb der p+n n+-Zonenfolge entsprechend dem Verlauf des pn-Übergangs eine grössere Spreizung der Raumladungsschicht besteht, die vor der Feldbegrenzungszone 4 durch dieselbe noch mehr erweitert wird. Damit ist eine optimale Reduzierung der Oberflächenfeldstärke erreicht. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Plittelzone 1 im Volumenabschnitt I etwa 45/um, der Bereich 2a der Kontaktzone-2 ca. 90/um, die Planarzone 3 ca. 30/um, die Aussparung 5 innerhalb der Planarzone 3 ca. 50/um und ausserhalb ca. 300/um betrugen, wurden Sperrspannungen etwa vom 3-fachen der bei herkömmlichen Planarstrukturen möglichen Werte erzielt. Bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung wird z.B. ein hochohmiges, n-leitendes Siliziumsubstrat mittels Diffusion auf einer Seite mit einer durchgehenden, hochdotierten Zone und auf der anderen Seite mithilfe der Maskentechnik in einem vorgegebenen Flächenbereich ebenfalls mit einer hochdotierten Zone jeweils vom gleichen Leitfähigkeitstyp des Ausgangsmaterials versehen. Anschliessend wird die durchgehende, hochdotierte Zone vollständig abgetragen, und auf dieser Seite werden gegenüber der hochdotierten n -Zone 2a die hochdotierte Planarzone 3 und im Abstand zu derselben die Feldbegrenzungszone 4, jeweils vom anderen Leitfähigkeitstyp, erzeugt. Die Flächenausdehnung der Planarzone 3 entspricht im wesentlichen derjenigen der Zone 2a. Damit liegt ein Halbleiterkörper vor, der aus einem Volumenabschnitt mit einer p n n -Zonen folge und aus einem weiteren Volumenabschnitt mit einer, denselben vollständig durchsetzenden, hochohmigen n-leitenden Zone besteht. Danach wird mithilfe der Maskentechnik in die p-leitende Zone 3 die hochdotierte Emitterzone 6 vom Leitungstyp des Ausgangsmaterials und in die gesamte Fläche der anderen Seite des Halbleiterkörpers Störstellenmaterial hoher Konzentration ebenfalls vom Leitun#gstyp des Ausgangsmaterials eindiffundiert, wodurch eine Struktur gemäss der Darstellung entsteht. Weiter wird mit Hilfe der Maskentechnik durch Ätzen die Aussparung 5 erzeugtV und abschliessend werden die Kontaktelektroden aufgebracht. Vund mit einer Schicht eines Negativglases gefüllt, Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass unter Anwendung einfacher Verfahrensschritte Halbleiterbauelemente aller Leistungsbereiche unter günstigster Flächennutzung mit erheblich höherer und gewünschter Sperrfähigkeit bei gleichbleibend guten anderen physikalischen Eigenschaften herstellbar sind.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Halbleiterbauelement hoher Sperrfähigkeit, dessen Halbleiterkörper eine hochohmige Mitteizone des einen Leitungstyps, an seiner einen Hauptfläche eine an die lvlittelzone angrenzende, höher dotierte durchgehende Kontaktzone gleichen Leitungstyps und an sei-. ner anderen Hauptfläche eine höher dotierte Planarzone sowie wenigstens eine, diese im Abstand umschliessende Feldbegrenzungszone, jeweils vom anderen Leitungstyp, aufweist und mit entsprechenden Kontaktelektroden versehen ist, d a d u r c h g e k e n nzeichnet, dass der der Planarzone (3) gegenüberliegende Bereich (2a) der Kontaktzone (2) dicker ausgebildet ist als der übrige Bereich (?b), dass in der anderen Hauptfläche des Halbleiterkörpers eine Aussparung (5) angebracht ist, in welche der zwischen Mitteizone (1) und Planarzone (3) bestehende pn-Übergang (S) mündet, und welche sich bis über die Feldbegrenzungszone (4) hinaus erstreckt, dass die Aussparung (5) mit einer passivierenden Substanz (7) gefüllt ist, und dass die Mitteizone (1) im Bereich der Kontaktzone (2) mit grösserer Dicke eine solche Weite aufweist, dass sich die Raumladungsschicht im Betrieb des Halbleiterbauelements bis in die Kontaktzone (2) ausdehnt. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des der Planarzone (3) gegenüberliegenden Bereichs (2a) der Kontaktzone (2) wenigstens das Dreifache der Dicke des übrigen Bereichs (2b) beträgt. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (5) wannenförmig flach ausgebildet und mit einer glasartigen Substanz (7) gefüllt ist. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die glasartige Substanz negative Ladungen aufweist. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die glasartige Substanz aus einer ersten Teilschicht mit negativen Ladungen und aus wenigstens einer weiteren Teilschicht ohne negative Ladungen besteht. 6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenausdehnung des Bereichs grösserer Dicke (2a) der Kontaktzone (2) gleich derjenigen oder kleiner als diejenige der Planarzone ist. 7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Planarzone (3) eine hochdotierte äussere Zone (6) vom einen Leitungstyp angeordnet ist, und dass die Flächenausdehnung des Bereichs grösserer Dicke (2a) der Kontaktzone (2) gleich der oder grösser als die Flächenausdehnung der äusseren Zone (6) ist.

Inventors: CHADDA, MOHAN, IRONS, ROBERT
Applicants: SEMIKRON ELEKTRONIK GMBH
Application year: 1982
Main classification: H01L29
IPC codes: H01L29