WO1999027582A2

WO1999027582A2 - Optimierter randabschluss von halbleiter-bauelementen

Info

Publication number: WO1999027582A2
Application number: PCT/DE1998/003453
Authority: WO
Inventors: Roland Sittig; Detlef Nagel; Ralf-Ulrich Dudde; Bernd Wagner; Klaus Reimer
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 1997-11-24
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 1999-06-03
Also published as: DE19881806D2; US6426540B1; JP2001524756A; EP1036418A2; US6956249B2; WO1999027582A3; US20020140046A1; US20040129993A1

Abstract

Das technische Gebiet der Erfindung ist ein sperrfähiges Halbleiterbauelement, wie IGBT, Thyristor, GTO oder Diode, insbes. Schottkydiode. Im Randbereich einer Anoden-Metallisierung (1, 31) ist ein (im Randbereich direkt) auf dem Substrat (9) des Bauelements fest angeordnetes Isolatorprofil (10a, 10b, 10c, 10d, 11) mit Krümmungsbereich (KB) und Sockelbereich (SB) vorgesehen, welches Isolatorprofil im Krümmungsbereich (KB) eine Oberfläche (OF) aufweist, die flach beginnend stetig stärker gekrümmt nach außen und aufwärts verläuft. Auf der Oberfläche (OF) ist eine der Oberflächenkrümmung direkt folgende, die innere Anoden-Metallisierung seitlich verlängernde Metallisierung (MET1; 30a, 30b, 30c, 30d, 31b) aufgebracht. Das obere ende der gekrümmten Metallisierung (MET1; 30a, 30b...) ist durch den umlaufenden Sockelbereich (SB) des Isolatorprofils (10a,..., 11) von einer diesen umgebenden äußeren Metallisierung (MET2, 3) isolierend so beabstandet, daß ein weitgehend stetiger, Extremwerte vermeidender Feldlinienverlauf zwischen den beiden Metallisierungen (1, 31, MET1; 3, MET2) - bei Anlegen von Sperrspannung oder Blockierspannung zwischen den beabstandeten Metallisierungen - entsteht.

Description

Optimierter Randabschluß von Halbleiter-Bauelementen

Bei Halbleiter-Bauelementen mit zumindest einem sperrenden pn-Übergang kommt dieser irgendwo zwischen den spannungsführenden Kontakten an die Oberfläche des Substrates, auf dem und in dem das Halbleiter-Bauelement realisiert ist. In diesen an die Oberfläche kommenden Bereichen führen hohe elektrische Feldstärken für den Fall, daß der pn-Übergang sperrend ist, also an der Kathode eine höhere Spannung als an der Anode anliegt oder ein steuerbares Halbleiterelement über seinen Gate-Anschluß noch nicht durchgesteuert ist, dazu, daß zwischen der Anode und der Kathode unerwünschte Leckströme fließen, die je nach Polungsrichtung der noch zu blockierenden oder zu sperrenden Spannung als positiver oder negativer Sperrstrom bezeichnet werden. Zur Reduktion desjenigen Anteils der Sperrströme, der veranlaßt ist durch hohe Feldstärken im Randbereich, werden im Stand der Technik Randabschlüsse eingesetzt, sogenannte "Junction Terminations" , die beispielsweise als besonders geformte Feldplatten zu einem optimierten Verlauf von Äquipotentiallinien und demnach zu einem Vermeiden von hohen Feldstärken im Randbereich solcher Bauelemente führen, vgl. DE-A 195 35 322 (Siemens) in Spalte 3, Zeile 58 bis Spalte 4, Zeile 35 oder "Multistep Field Plates ... " aus IEEE Transactions on electron. devices, Vol. 39, No . 6, Juni 1992, Seiten 1514 ff, "The Contour of an Optimal Field

Plate", IEEE Transactions on electron. devices, Vol. 35, No . 5, May 1988, Seiten 684 ff. und zuletzt "Theoretical Investigation of Planar Junction Termination" , Solid-State Electronics, Vol. 39, No. 3, Seiten 323 bis 328, 1996. Die dort beschriebenen planaren Randabschlüsse werden hinsichtlich ihrer Geometrie optimiert, einmal als stufige Feldplatte und zum anderen als optimierte stetig gekrümmt verlaufende Feldplatte mit einer modifizierten Ellipsen-Geometrie. Bislang ist es im Stand der Technik aber nicht geglückt, die optimierte geometrische Struktur einer Feldplatte im Randbereich eines sperrfähigen Halbleiter-Bauelements, insbesondere eines mit hoher Spannung oberhalb von 500V beaufschlagbaren Bauelements, wirtschaftlich herstellen zu können. Die Erfindung sieht ihre Aufgabe darin, die eingangs erwähnten, insbesondere hoch sperrenden oder sperrfähigen Bauelemente auf wirtschaftlicher Basis, also mit geringen Kosten, herzustellen und dennoch ihre maximale Sperrfähigkeit auszunutzen.

Mit der Erfindung wird das dann erreicht, wenn ein Randbereich der innen liegenden Anoden-Metallisierung ein Isolatorprofil aufweist, das eine flach beginnende und stetig nach außen und aufwärts stärker gekrümmt verlaufende Gestalt hat, welcher Bereich der "Krümmungsbereich" des Isolatorprofils ist, und einen daran direkt angrenzenden, praktisch eben verlaufenden "Sockelbereich", der gemeinsam mit dem Krümmungsbereich den Querschnitt des Isolatorprofils vorgibt.

Das Isolatorprofil ist so gestaltet, daß zwischen der gekrümmten, die Anode nach außen verlängernden inneren Metallisierung und der außen, neben dem Sockelbereich des Isolatorprofils liegenden äußeren Metallisierung, die meist die Kathode sein wird, Extremwerte eines im Betrieb entstehenden elektrischen Feldes vermieden werden können. Das Isolatorprofil ist hergestellt durch ein Verfahren, bei dem eine zunächst aufgetragene starke Isolatorschicht auf dem gesamten Substrat zusätzlich mit einer Resistschicht bedeckt wird, die strukturiert durch eine Maske beleuchtet wird, die sich im Grautonwert entsprechend dem gewünschten Krümmungsverlauf im Krümmungsbereich des jeweiligen Isolatorprofils verändert. Der Grautonwert in der Maske wird durch eine Belichtung in die Resistschicht übertragen, die danach, insbesondere durch Entwickeln, strukturiert werden kann, um dann mit einem Ätzverfahren, wie z.B. RIE (reaktives Ionenätzen) die Struktur der entwickelten Resistschicht in die starke Isolatorschicht zu übertragen, wobei es von Vorteil ist, wenn die Ätzrate der Isolatorschicht und die Ätzrate der verbliebenen Resistreste, die nach dem Entwickeln der belichteten Resistschicht verbleiben, in etwa gleich sind, um eine nicht formgerechte Übertragung des Resistprofils in den Isolator zu vermeiden. Die sich ergebenden Isolatorprofile können entweder als ein Wall um die Anode verlaufen oder es können mehrere nach außen gestaffelt verlaufende und in ihrer Krümmungsfläche unterschiedlich gestaltete Isolatorprofile vorgesehen sein. Werden mehrere gestaffelte Isolatorprofile vorgesehen

(Anspruch 2, Anspruch 3), ist die Krümmung der Oberflächen der Krümmungsbereiche nicht gleich, sondern steigt mit jedem weiter außen liegenden Profil zunehmend an (Anspruch 3) .

Auf die erwähnten jeweiligen gekrümmten Oberflächen werden Metallisierungen aufgebracht, die für das außen an der innen liegenden Anode direkt angrenzende Isolatorprofil leitend in die Anodenmetallisierung übergeht.

Die im Grautonwert codierte Strukturierung bei der Belichtung erfolgt so, daß ein gewünschtes Lichtintensitätsprofil im Halbtonverfahren, d.h. über ein Pixelraster, in der Maske codiert ist und sich die Pixelgrößen unterhalb der Auflösungsgrenze einer verkleinernden Projektionsbelichtung in einen nahezu kontinuierlich verlaufenden Belichtungsverlauf der Resistschicht übertragen, der es so erlaubt, stetige Oberflächen, die gekrümmt nach außen und oben verlaufen, zu erzeugen; die erfindungsgemäß ausgebildeten Isolatorprofile haben also zumindest eine stetige, kontinuierlich (ohne Stufen) über einen erheblichen Bereich verlaufende Oberfläche, die so gestaltet wird, wie es theoretische Berechnungen für einen optimierten Verlauf der Feldlinien bei Sperrspannungs- Beanspruchung oder Durchlaß-Blockierbeanspruchung günstig erscheinen lassen.

Mit der Erfindung kann die Dicke der Isolatorschicht über einen weiten Bereich bis hin zu 10 μm in vorgegebener Weise kontinuierlich in einem Prozeß gesteuert variiert werden; es ist nicht unbedingt erforderlich, der Oberflächen-Krümmung einen idealen Verlauf zu geben, wenn nur sichergestellt ist, daß die wesentlichen Feldstärkeerhöhungen vermieden werden können und die Sperrspannungs-Beanspruchung am Rande der Anode zur Kathode hin keine wesentlichen Extremwerte aufweist. Auch bei Halbleiterbauelementen mit Sperrspannungen oberhalb etwa 500 V kann bei minimalem Platzbedarf für den Randabschluß nahezu die theoretisch maximal mögliche Sperrspannung erreicht werden, also die "Sperrfähigkeit" des eingenommenen Platzes voll genutzt werden. Der minimale Platzbedarf ist bei den

Bauelementen von Bedeutung, die zu mehreren aus einem Wafer hergestellt werden, und die möglichst hohe Ausnutzung der Sperrfähigkeit wird um so wichtiger, je höher die Sperrspannungen sind. Von besonders großer Bedeutung sind diese Aspekte für hochsperrende IGBTs .

Auch bei Schottky-Dioden, die nicht auf einem pn-Übergang beruhen, sondern die Sperrfähigkeit eines Metall-Halbleiter- Übergangs ausnutzen, können die erfindungsgemäß hergestellten Isolatorprofile vorteilhaft angewendet werden. Am Rand des Metall-Halbleiter-Übergangs würden die kleinen effektiven Krümmungsradien zu gewaltigen Feldüberhöhungen führen. Um diese zu vermeiden, werden nach dem Stand der Technik diffundierte Guardringe eingesetzt, die jedoch bei starker Durchlaßbelastung zu einer unerwünschten Injektion von Minoritäts-Ladungsträgern führen. Mittels der erfindungsgemäß hergestellten Isolatorprofile und Feldplatten tritt eine solche Injektion von Ladungsträgern nicht auf und der Diffusionsprozeß bei der Herstellung kann entfallen.

Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Erfindung, die sich auf Maßnahmen an der Oberfläche der Halbleiter beschränkt, auch dann, wenn Leistungshalbleiter auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) , als Beispiel für einen Halbleiter mit hohem Bandabstand, zu verbessern sind (Anspruch 12) . Bei diesen muß eine äußerst geringe Diffusionskonstante für Dotierstoffe in Kauf genommen werden und deshalb sind Randbereiche durch Diffusion praktisch nicht herstellbar.

Das Bauelement hat mit den erfindungsgemäß hergestellten Isolatorprofilen solche, die am Übergang zur Anode nicht kontinuierlich oder stetig auslaufen, sondern mit einem kleinen Sprung in der Größenordnung von oberhalb 5 nm und unterhalb von 50 nm enden. Diese Stufe ist verglichen mit der Stärke der Metallisierung sehr gering und fällt praktisch nicht ins Gewicht, ergibt sich aber aus dem Herstellverfahren durch Grautonlithographie. So kann beispielsweise die Metallisierung etwa 1 μm stark sein, während der "Sprung" des Isolators am Ende des durch Grautonlithographie hergestellten Krümmungsbereichs des Isolators 20 nm beträgt.

Die Grautonlithographie arbeitet so, daß das Substrat mit einer Isolatorschicht bedeckt wird, die zunächst mit einer lichtempfindlichen Schicht bedeckt wird, welche so belichtet wird, daß der Krümmungsverlauf der Oberfläche des Isolatorprofils durch Grautonvariation, also durch eine Anpassung der Lichtintensitätsverteilung an die Form des Isolatorprofils, in die Photoresistschicht einbelichtet wird, welche danach durch Entwickeln strukturiert wird (Anspruch 11) . Die so strukturierte Photoresistschicht besteht jetzt noch aus Resistresten, die auf der Isolatorschicht Blöcke bilden, die den Isolatorprofilen entsprechen. Durch eine Ätztechnik, beispielsweise einen Trockenätzprozeß, wird der noch oberhalb der Substratoberfläche befindliche Resistrest konform in die Isolatorschicht hereingeätzt, wobei die Isolatorschicht im wesentlichen flächig entfernt wird und dort stärker entfernt wird, wo die Resistreste nicht sind (Anspruch 6) .

Die formgerechte Übertragung wird begünstigt, wenn die Ätzraten der Resistreste und der Isolatorschicht gleich sind; sind sie unterschiedlich, muß die Form des Resistrestes entsprechend angepaßt werden, was durch eine Anpassung der Intensitätsverteilung bei der Belichtung erfolgen kann.

Die Höhe des Isolatorprofils im Sockelbereich kann eher höher oder eher niedriger gewählt werden (Anspruch 4, Anspruch 5) . Hat das Isolatorprofil im Sockelbereich eine Höhe von oberhalb etwa 5 μm, ist die Neigung am Ende des Krümmungsbereichs im Übergang zum Sockelbereich oberhalb von 10°. Der Krümmungsbereich endet hier steiler, als bei dem Isolatorprofil, das im Sockelbereich flach ist (Anspruch 5) . Bei einem höheren Sockelbereich ist die t o o o

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eindiffundiert ist und der bei anliegender Spannung das am entsprechenden Ort vorhandene Potential aus dem Substratbereich auf die jeweilige Metallisierung überträgt (Anspruch 10) . Diese eindiffundierten streifenförmigen Zonen entsprechen in ihrer Dotierung im wesentlichen derjenigen Dotierung, die in einem p+- Gebiet unterhalb der Anoden-Metallisierung gewählt ist.

Bevorzugt ist die Eindringtiefe der diffundierten Zonen unterhalb der Metallisierung nur gering, bevorzugt unterhalb 10 μm, was technologisch keine Feldspitzen entstehen läßt. Die p⁺-Diffusionszonen übertragen ihr Potential auf die jeweilige nach außen und nach oben (vom Substrat weg) gekrümmt verlaufende Metallisierung .

Die laterale Erstreckung der metallischen Krümmungsbereiche sollte auf die Raumladungstiefe abgestimmt sein und dabei etwa zwei- bis dreimal der Raumladungstiefe entsprechen.

Die Erfindung (en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt .

Figur 1 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt eines Aktivteils eines sperrfähigen Halbleiterelements, hier einer Diode mit Anode 1 und Kathode 2, 3 sowie einen Randbereich der Anode, der mittels planarem Randabschluß, hier einer Feldplatte so gestaltet ist, wie es die Figuren 3 jeweils in Vergrößerungen des AV-Bereichs zeigen. Figur 2a ist eine Veranschaulichung der Strukturierung einer zunächst vollflächig vorhandenen Photoresistschicht 20, die nach Strukturierung (durch Belichtung) mit der gezeigten Form 20a durch eingezeichnetes Trockenätzen 60, hier einem reaktiven Ionenätzen (RIE) , in den Isolator 10 konform übertragen wird. Figur 2b ist korrespondierend zu Figur 2a eine Darstellung von gestaffelten Resistprofilen 20b,20c,20d, die auf dem Isolator 10 nach außen in Serie angeordnet sind, wobei gerade durch reaktives Ionenätzen 60 begonnen wird, die Resistreste (Resistprofile) , die schon die Form gewünschter Isolatorprofile haben, in die

Isolatorschicht 10 konform zu übertragen. Figur 3a ist ein Schnitt durch einen fertigen Randabschluß, der nach Abschluß des reaktiven Ionenätzens 60 gemäß Figur 2a entstanden ist und mit einer Metallisierung 30a die Anodenmetallisierung 1 in den Krümmungsbereich

KB des Isolatorprofils 10a verlängert. Das Isolatorprofil 10a hat eine Breite, die etwa 10 bis 15 mal der Höhe h_1Q entspricht. Bei einer beispielsweise gewählten Höhe von 10 μm ergibt sich eine laterale Erstreckung des Profils von 100 μm, was aber stark von der gewünschten Sperrspannung abhängig ist . Figur 3b ist ein Ergebnis des fertigen Herstellverfahrens für die gestaffelten Isolatorprofile, die gemäß Figur 2b begonnen wurden, in die Isolatorschicht 10 zu übertragen. Es entstehen beispielsweise drei nach außen gestaffelte Isolatorprofile 10b,10c,10d, deren Krümmungen nach außen hin steiler werden. Auch hier ist die Figur nur eine schematische Erläuterung, wobei die Schnittlinien "S" einen großen Bereich unveränderter Gestalt herausnehmen. Figur 4 und Figur 4a sind eine Darstellung eines flacheren Isolatorprofils 11, das am inneren Ende zur Anode 31 hin eine kleine

Stufe 11s in einer Höhe "d" hat, die in der Vergrößerung der Figur 4a verdeutlicht ist. Diese Stufe beträgt unter 50nm, bevorzugt liegt sie in der Größenordnung zwischen 20nm und 30nm bei einer sie überlagernden Metallisierung 31, 31a, 31b mit einer

Stärke von etwa 1 μm. In Figur 4 ist das flache Isolatorprofil mit einer metallischen Abschirmung 32 ergänzt, die ausgehend von der Anoden-Metallisierung 31 nach Art einer Haube und einer seitlich nach außen und oben im Anschluß an die Krümmung der Metallisierung verlaufenden ellipsenähnlichen Form gekrümmt 32a gestaltet ist. Eine Vergußmasse 41 isoliert den Bereich zwischen Anode, metallischer Haube 32 und Kathode 3, außerhalb des Endes des Isolatorprofils, das hier eine laterale Größe von etwa 50mal bis 200mal der Höhe des

Profils 11 im Sockelbereich hat . Figur 5 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines mit

Grautonlithographie hergestellten Isolatorprofils mit Krümmungsbereich KB und sich weitläufig erstreckendem Sockelbereich SB, welch letzterer eine etwa gleichbleibende Höhe "h" hat, während der Krümmungsbereich von der gleichbleibenden Höhe in einem stetigen Verlauf zur Anode hin abfällt und dort bevorzugt durch eine kleine Stufe 11s auf das Niveau des Substrats 9 gelangt. Eine Metallisierung METl ist im Krümmungsbereich aufgetragen, sie verlängert die Anoden-Metallisierung 1,31 und erlaubt einen gesteuerten Verlauf der Feldlinien zwischen der Anode und der außenliegenden Kathode MET2 ohne starke Extremwerte.

Figur 6 ist eine etwa maßstabsgerechte Darstellung der

Anordnung von Figur 4 bei flachem Sockelbereich SB des Isolatorprofils .

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Q P Φ 0 P tr Φ φ P φ φ P Qi Φ y— p- Φ

Φ 3 P CQ 1-i ti Φ P P p, P ~ φ

bereits erläutert wurde. Außerhalb des äußersten Isolatorprofiles lOd liegt die Kathodenmetallisierung 3 mit einem Channelstopper 7, wie in Figur 3a erläutert. Die jeweiligen Schnittbereiche S schneiden diejenigen sich lateral weit erstreckenden Bereiche heraus, in denen keine Änderung an der Gestalt vorgesehen ist .

Die eindiffundierten Zonen 8, 7b, 7a unterhalb der Metallisierungen der Figuren 3a und 3b haben eine nur geringe Eindringtiefe von unter 10 μm, bevorzugt 3 bis 6 μm.

Der Halbleiter gem. Figur 3b ist in seiner Herstellung sehr kostengünstig, weil die Isolatorprofile eine nur geringe Höhe h_1Q im Sockelbereich SB besitzen. Die Höhe h₁₀ wird unter 5 μm liegen, bevorzugt in der Größenordnung von 2 μm.

Im Betrieb bei Sperrspannung oder Blockierspannung befinden sich die beschriebenen drei gestaffelten Metallisierungen von der Anode 1 über die erste Stufe 1' mit gekrümmtem Bereich 30c und die zweite Stufe 1" mit gekrümmtem Bereichs 30d auf unterschiedlichen Potentialen, die von den potentialübertragenden Zonen 7b, 7a auf die Metallisierungen übertragen werden. Die Erstreckung der wenig tief eindiffundierten potential-übertragenden Zonen 7a, 7b aus dem Kristallbereich des Substrates 9 sind so gewählt, daß sie jeweils innen unterhalb des äußeren Endbereichs des Sockelbereiches des Isolatorprofiles beginnen und sich nach außen in etwa bis zu demjenigen Bereich erstrecken, in dem das weiter außen liegende Isolatorprofil mit seinem Krümmungsbereich KB beginnt zu entstehen oder anzusteigen.

Die Herstellung der Geometrien der Figuren 3a und 3b soll an den Figuren 2a und 2b erläutert werden.

In Figur 2a ist das Substrat 9 gezeigt, mit einer auf ihm gebildeten Isolatorschicht 10, meist aus Siliziumoxid. In der Figur 2a ist der Ausgangspunkt dargestellt, zu dem eine nach Strukturierung (durch Belichtung) gebildete Form 20a eines Resistprofiles oder Resistrestes aus einer vollflächig vorhandenen (strichliniert eingezeichneten) Photoresistschicht 20 in die darunter liegende Isolatorschicht 10 konform übertragen wird. Als Ätzvorgang ist ein Trockenätzvorgang, hier ein reaktives Ionenätzen durch Ionenstrahlung 60 dargestellt. Zuvor sind in das Substrat 9 ein eindiffundierter Bereich 8 (p⁺-Diffusionsgebiet) unter der herzustellenden Anode und ein eindiffundierter Channelstopper 7 mit einem n⁺-Diffusionsgebiet (außerhalb des zu bildenden Resistprofiles) eingebracht. Auf das so vorbereitete Substrat 9 ist ein Isolator 10 gleichmäßig aufgebracht, der im wesentlichen die Höhe hat, die ein späteres Resistprofil im Sockelbereich SB der Figur 3a haben soll. Auf dem Isolatorprofil ist eine zusätzliche Resistschicht 20 aufgebracht, die zunächst durch eine Maske strukturiert beleuchtet wird, welche Maske sich im Grautonwert entsprechend dem jeweiligen Krümmungsverlauf im Krümmungsbereich KB des Isolatorprofils verändert. Der Grautonwert in der (nicht dargestellten) Maske wird durch die Belichtung in die Resistschicht 20 übertragen, die danach (insbesondere durch Entwickeln) strukturiert wird, um dann in dem in Figur 2a dargestellten Ätzverfahren die nach dem Belichten und Entwickeln verbleibenden Resistreste in die Isolatorschicht 10 zu übertragen, wobei bildlich gesprochen die Oberfläche der bisherigen Resistschicht 20 auf die Oberfläche des Substrates abgesenkt wird, also das verbleibende Resistrelief 20a als Isolatorprofil in die Isolatorschicht (bildlich gesprochen) abgesenkt wird. Der Isolator 10 wird dort entfernt, wo keine Resistblöcke sind, wird dort weniger abgetragen, wo die Höhe des Resistrestes 20a gering ist, und dort, wo der Resistrest 20a den Sockelbereich SB bilden soll, wird von der Isolatorhöhe wenig bis überhaupt nichts abgetragen. Damit entsteht nach der konformen Abbildung des Resistrestes 20a in die Isolatorschicht 10 eine Gestaltung des Isolatorprofils 10a mit Krümmungsbereich KB und Sockelbereich SB, so wie in Figur 3a dargestellt, nur noch ohne Metallisierungen 1,3. Diese

Metallisierungen werden danach aufgebracht, ggf. auch die wallartige Vergußmasse 40, um den Randabschluß zu vervollständigen . Für die konforme Abbildung ist es von Vorteil, die Ätzrate der Isolatorschicht 10 und die Ätzrate der verbliebenen Resistreste 20a im wesentlichen gleich zu machen, so daß keine Verzerrungen bei der Ausformung des Sockelprofils, insbesondere im Krümmungsbereich KB entstehen. Wird eine konforme Abbildung erreicht, so bildet sich der Neigungswinkel α-, des Resistrestes 20a direkt in dem Neigungswinkel a^ in der Steigung am oberen Ende der Metallisierung 30a in Figur 3a ab, bzw. die Oberfläche OF des Krümmungsbereiches KB hat in dem lateral äußeren Endbereich diese Steigung.

In gleicher Weise erfolgt die Herstellung der Struktur von Figur 3b nach der in Figur 2b schematisch dargestellten Herstellungsweise, die analog der Herstellung der Figur 2a erfolgt . Hier ist in der derselben Anzahl von Prozeßschritten eine gestaffelte Anordnung von Isolatorprofilen 10b,10c,10d jeweils abgebildet worden aus Resistresten 20b,20c,20d, entsprechend dem Resistrest 20a von Figur 2a.

Ausgangspunkt in Figur 2b ist auch die flächige

Resistschicht 20, die strukturiert beleuchtet wird und Resistreste zurückläßt, die durch einen Trockenätzprozeß 60 in dem hier dünner gewählten Isolator 10 konform abgebildet werden, dessen Höhe h-_j_g im Größenbereich unter 5 μm, insbesondere bei 2 μm für die gestaffelte Anordnung liegt.

Vor Aufbringen der Isolatorschicht 10 sind - wie bereits an Figur 3b erläutert - die potentialübertragenden Zonen oder - bei kreisförmiger Ausbildung - Ringe 7a, 7b in ein n^~ -Substrat 9 eindiffundiert, wobei diese Zonen so plaziert sind, daß sie unterhalb desjenigen Bereiches des Isolators 10 zu liegen kommen, in welchem die flächige Resistschicht 20 praktisch vollständig durch die Entwicklung entfernt wird.

Das Verhältnis der Neigungen am oberen Ende der jeweiligen

Krümmungsbereiche der Resistreste 20b, 20c, 2Od kann mit a.^ >a. >oi2 ausgedrückt werden, also eine steigende Neigung am oberen Ende des Krümmungsbereiches für jeden weiter außen liegenden Resistrest, der sich in eine entsprechende steigende Neigung des oberen Endes der gestaffelten Krümmungsbereiche KB der Figur 3b überträgt .

Zur Verdeutlichung des oberen Endes des Krümmungsbereiches KB, also des Übergangsbereiches zwischen Krümmungsbereich und Sockelbereich, ist in Figur 5 eine Ausschnittsvergrößerung aus entweder Figur 3a oder der äußeren Stufe der Feldplatte 1" der Figur 3b dargestellt. Unterteilt ist die Figur 5 in einen links liegenden Krümmungsbereich KB mit einer lateralen Erstreckung b-^ und in einen Sockelbereich SB mit einer lateralen Erstreckung b₂. Unterhalb des Isolatorprofils (aus Krümmungsbereich und Sockelbereich) ist das Substrat 9 angeordnet. Rechts von dem Sockelbereich beginnt die äußere Metallisierung MET2 mit einer Dicke d_m, links von dem

Sockelbereich am oberen Ende des Krümmungsbereiches KB beginnt die gekrümmt einwärts verlaufende innere Metallisierung METl, die auf einer entsprechend gekrümmten Oberfläche OF mit einer Dicke d_m aufgebracht ist. Der Neigungswinkel a am oberen Ende des Krümmungsbereiches ist eingezeichnet. Er entspricht für die Beispiele der Figur 3a oder 3b dem Winkel a.^ bzw. α^ . Die Höhe h des Sockelbereiches SB entspricht der Höhe h_1Q der Figuren 3a, 3b.

Figur 4 mit ihrer Ausschnittsvergrößerung in Figur 4a zeigt ein Isolatorprofil 11, das entsprechend dem flachen Isolatorprofil von Figur 3b ausgebildet sein kann, aber nicht aus mehreren gestaffelten Anordnungen besteht, sondern eine oberhalb des Isolatorprofils sich erstreckende Haube 32 aufweist, die als Abschirmung mit einem äußeren gekrümmten Bereich 32a dient. Sie ist galvanisch leitend mit der Anode 31 (oberhalb des p⁺-Diffusionsgebietes 8) verbunden und erstreckt sich zunächst aufwärts und dann nach lateral außen mit einer gleichbleibenden Höhe ₄₁. Der Bereich zwischen der unteren Fläche der Haube 32 und dem Isolatorprofil sowie der Metallisierung 31, 31a, 31b ist mit einer Vergußmasse 41 aufgefüllt, die isolierend wirkt. Figur 4 ist nicht maßstabsgerecht, statt dessen sollen die strukturellen Elemente an ihr erläutert werden. Eine als Beispiel gedachte, in etwa maßstabsgerechte Ausbildung der Anordnung gemäß Figur 4 ist in Figur 6 gezeigt.

An Figur 4 und der Ausschnittsvergrößerung in Figur 4a soll ein Detail des inneren Endes des Krümmungsbereiches KB des

Isolatorprofils 11 erläutert werden. Dieses innere Ende, das im wesentlichen an dem äußeren Ende der p⁺-Diffusionszone 8 beginnt, ist ein Stufe 11s vorgesehen, die in der Größenordnung von 20 nm bis 30 nm gebildet wird; sie kann auch von diesen Werten abweichen, ist aber meist unter 50 nm hoch, welche Höhe mit "d" gekennzeichnet ist. Diese Stufe entsteht beim Herstellungsprozeß gemäß den Figuren 2a, 2b und folgt aus der Graduierung des Grautonwertes der Maske bei dem Belichten. Der Grautonwert kann sich nicht unendlich fein bis auf Null (durchlässige Maske) herabsetzen, so daß ab einem Mindest- Grautonwert keine weitere Graduierung erfolgt und bei der Belichtung die Stufe 11s zunächst im Resistrest 20a bzw. 20b entsteht und dann in den Isolator 10 durch Trockenätzen 60 übertragen wird. In dem Bereich der Stufe 11s besitzt auch der Verlauf der Metallisierung 31 zum stetig ohne Stufung verlaufenden Krümmungsbereich 31b eine leichte Erhöhung 31a, der aber bei einer Metallisierungsdicke von meist 1 μm gegenüber der bevorzugten Stufenhöhe "d" im Bereich von 50 nm kaum auffällt und Extremwerte im Feldlinienverlauf nicht bewirkt .

Ein zweites Detail ist an der Figur 4 nur schematisch erkennbar, es ist der hier bevorzugt gewählte Krümmungsradius r=r^₂ ^a^-^s Viertelkreis im gekrümmten Bereich 32a der Haube 32. Er beginnt am Abstand b-, _Q von dem oberen Ende der gekrümmt verlaufenden Metallisierung 31b, welcher Abstand deutlich größer ist, als in Figur 4 dargestellt und sich aus Figur 6 in einem spezifischen Beispiel maßstabsgerecht ergibt. Dieser Abstand entspricht in diesem Beispiel im wesentlichen dem Krümmungsradius r im Viertelkreis 32a der Haube 32 oberhalb des Sockelbereiches SB des Isolators 10.

Der Isolator 10 hat hier eine flache Höhe h-_jn gemäß Figur 3b, die unterhalb 5 μm liegt und bevorzugt bei 2 μm angesiedelt ist . Der Radius r, dargestellt als r₃₂ in Figur 4 hat ein Maß von beispielsweise 100 μm und der Abstand b_1Q gemäß Figur 4 ist ebenso ausgebildet .

Im Beispiel der Figur 6 ist hierzu geeignet auch die laterale

Erstreckung des Krümmungsbereiches KB des Isolatorprofils 11 mit einer Breite b₉ versehen, die im wesentlichen der Breite b_1Q entspricht. Der Abstand zwischen der unteren Oberfläche der Haube 32 und der gekrümmten Feldplatte 31b im Krümmungsbereich und dem Sockelbereich 10 beträgt im Beispiel zwischen 10 μm und 30 μm, repräsentiert durch h₄^, wie in Figur 4 dargestellt. Dieser Bereich, ebenso wie der Krümmungsbereich und der lateral weiter außen liegende Bereich ist mit einer Vergußmasse 41 aufgefüllt. Sie isoliert und bildet eine mechanische Stabilisierung.

Ein sperrfähiges Halbleiterbauelement ist ein IGBT, Thyristor, GTO oder Diode, insbes . Schottkydiode . Im Randbereich einer Anoden-Metallisierung (1,31) ist ein (direkt) auf dem Substrat (9) des Bauelements fest angeordnetes Isolatorprofil (10a, 10b, 10c,10d,ll) mit Krümmungsbereich (KB) und Sockelbereich (SB) vorgesehen, welches Isolatorprofil im Krümmungsbereich (KB) eine Oberfläche (OF) aufweist, die flach beginnend stetig stärker gekrümmt nach außen und aufwärts verläuft. Auf der Oberfläche (OF) ist eine der

Oberflächenkrümmung folgende, die innere Anoden-Metallisierung seitlich verlängernde Metallisierung (METl; 30a, 30b, 30c, 30d, 31b) aufgebracht. Das Ende der Metallisierung (METl ; 30a, 30b ... ) ist durch den umlaufenden Sockelbereich (SB) des Isolatorprofils (10a, 11) von einer diesen umgebenden äußeren Metallisierung (MET2;3) isolierend beabstandet.

Ein weitgehend stetiger, Extremwerte vermeidender Feldlinienverlauf entsteht zwischen den beiden Metallisierungen (1 , 31 , METl ; 3 ,MET2) bei Anlegen von

Sperrspannung oder Blockierspannung zwischen den beabstandeten Metallisierungen.

Claims

Ansprüche:

1. Sperrfähiges Halbleiterbauelement, wie IGBT, Thyristor, GTO oder Diode, insbes. Schottkydiode, bei dem (a) im Randbereich einer Anoden-Metallisierung (1,31) ein (im Randbereich direkt) auf dem Substrat (9) des Bauelements fest angeordnetes Isolatorprofil (10a, 10b, 10c, lOd, 11) mit Krümmungsbereich (KB) und Sockelbereich (SB) vorgesehen ist, welches Isolatorprofil im Krümmungsbereich (KB) eine

Oberfläche (OF) aufweist, die flach beginnend stetig stärker gekrümmt nach außen und aufwärts verläuft;

(b) auf der Oberfläche (OF) eine der Oberflächenkrümmung direkt folgende, die innere Anoden-Metallisierung seitlich verlängernde Metallisierung (METl;

30a, 30b, 30c, 30d, 31b) aufgebracht ist;

(c) um das obere Ende der gekrümmten Metallisierung

(METl; 30a, 30b... ) durch den umlaufenden Sockelbereich (SB) des Isolatorprofils (10a,..., 11) von einer diesen umgebenden äußeren Metallisierung (MET2;3) isolierend so zu beabstanden, daß ein weitgehend stetiger, Extremwerte vermeidender Feldlinienverlauf zwischen den beiden Metallisierungen (1 , 31 ,MET1 ; 3 , MET2) - bei Anlegen von Sperrspannung oder Blockierspannung zwischen den beabstandeten Metallisierungen - entsteht .

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mehrere

Isolatorprofile (10b, 10c, lOd) , insbes. zwei oder drei Isolatorprofile mit jeweiligem Krümmungsbereich (KB) und Sockelbereich (SB) um die innenliegende Anoden- Metallisierung (1) gestaffelt angeordnet sind, die alle auf dem Substrat (9) fest angeordnet sind, wobei die gekrümmte Metallisierung (30b) des innersten Isolatorprofils in die Anoden-Metallisierung (1) leitend überleitet und die umgebende äußere Metallisierung (3) des äußersten

Isolatorprofils (lOd) die Kathoden-Metallisierung (3) des Bauelements ist . n lf»

3

P

CQ

Φ

. — ,

M

—

Φ

P-

P Q

Φ tr

P

Ω tr rt μ-

CQ rt

.

. Sperrfähiges Halbleiterbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche für die Leistungselektronik; oder Verfahren zur Herstellung eines Randbereiches dieses Bauelementes, bei dem das Isolatorprofil (10a, 10b) mit der ohne Stufen gekrümmt verlaufenden Oberfläche (OF) im

Randbereich einer Anode (1;31) durch Grautonlithographie hergestellt wird bzw. herstellbar ist, wobei (a) das Substrat (9) mit einer insbes. zwischen 0,5 μm und 15 μm starken Isolatorschicht (10) bedeckt wird; (b) die starke Isolatorschicht mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresistschicht ; 20) bedeckt wird;

(c) die Photoresistschicht (20) über eine sich im Grautonwert entsprechend dem Krümmungsverlauf der Oberfläche (OF) zumindest eines Isolatorprofils (10a, 10b,10c,10d) verändernde Maske belichtet und danach unter Bildung von zumindest einem Resistrest (20a, 20b, 20c, 2 Od) strukturiert wird;

(d) die strukturierte Photoresistschicht (20a, 20b, 20c, 20d) und die Isolatorschicht (10) mit einem Trockenätzprozeß im wesentlichen flächig entfernt werden, um den - durch die Strukturierung definierten - zumindest einen Resistsrest in den Isolator (10) formgerecht zu übertragen und zumindest ein Isolatorprofil um die Anode (1;31) herum zu bilden (10a, 10b, 10c, lOd) .

Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die Krümmung (32a, r) der Haube (32) insbesondere als Viertelkreis verlaufend, größer oder stärker ist als die Krümmung der seitlich verlängerten Metallisierung (31b) .

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Übergang (31a) der gekrümmten Metallisierung (31b) zur Anoden-Metallisierung (31) über eine kleine Stufe (d) des Isolatorprofils am inneren Ende des Krümmungsbereichs (KB^ des Isolatorprofils (11) erfolgt, wobei die kleine Stufe eine Größenordnung von 5 nm bis 30 nm hat, so daß das Isolatorprofil zur Anoden-Metallisierung (31) hin nicht vollständig un-stufig ausläuft. μ> H H H H 10

1^ 00 t H O •