DE102004039208B4

DE102004039208B4 - Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauelements mit einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone und Leistungsbauelement

Info

Publication number: DE102004039208B4
Application number: DE102004039208.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Siemieniec Ralf; Dr. Niedernostheide Franz-Josef; Dr. Schulze Hans-Joachim; Dr. Lutz Josef
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2024-08-13
Also published as: US8101506B2; US20060043470A1; US20100167509A1; US7675108B2; DE102004039208A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauelements, das zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone (21) des Leistungsbauelements in einem Halbleiterkörper (100) folgende Verfahrensschritte aufweist: – Erzeugen einer Sauerstoffkonzentration wenigstens in dem zu dotierenden Bereich in dem Halbleiterkörper (100), – Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100) über eine Seite (101) mit nicht-dotierenden Teilchen mit einer Implantationsenergie zwischen 0,15 MeV und 20 MeV zur Erzeugung von Defekten in dem zu dotierenden Bereich, wobei die nicht-dotierenden Teilchen Heliumionen sind. – Durchführen eines Temperaturschrittes bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C zur Erzeugung thermischer Doppeldonatoren in dem zu dotierenden Bereich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauelements mit einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone in einem Halbleiterkörper und ein Leistungsbauelement.
Vergrabene n-dotierte Halbleiterzonen werden beispielsweise in vertikalen Leistungsbauelementen, wie Leistungs-IGBT, Leistungsdioden, Leistungsthyristoren oder Leistungs-MOSFET als sogenannte Pufferzonen oder Feldstoppzonen benötigt. Bauelemente mit vergrabenen, also beabstandet zu einer Oberfläche eines Halbleiterkörpers angeordneten n-dotierten (Feldstopp-)Zonen sind beispielsweise in der DE 100 53 445 C2 , der DE 102 43 758 A1 , der EP 0 594 049 A1 oder DE 102 07 522 A1 beschrieben. Die Funktion und die Vorteile von Feldstoppzonen in Leistungsbauelementen sind beispielsweise in Niedernostheide, F. -J. et al.: ”13 kV Rectifiers: Studies an Diodes and Asymmetric Thyristors”, Proceedings ISPSD 2003 (Cambridge, UK), Seiten 122–125, oder in der DE 198 29 614 A1 beschrieben.
Vergrabene Feldstoppzonen lassen sich beispielsweise mittels hinlänglich bekannter Epitaxieverfahren herstellen, indem auf einem Halbleitersubstrat aufeinanderfolgend dotierte Halbleiterschichten abgeschieden werden, deren Dotierung so gewählt ist, dass in dem resultierenden Halbleiterkörper der gewünschte Dotierungsverlauf erreicht wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone besteht darin, die Halbleiterzone als oberflächennahe dotierte Zone eines ersten Halbleiterkörpers zu erzeugen, was beispielsweise mittels eines Diffusionsverfahrens, bei dem Dotierstoffatome in den Halbleiterkörper eindiffundiert werden, erfolgen kann. Der dotierte Halbleiterkörper wird anschließend mit einem zweiten Halbleiterkörper an der dotierten Seite verbunden, woraus ein Halbleiterkörper mit einer vergrabenen dotiertem Halbleiterzone resultiert. Zur Verbindung der Halbleiterkörper eignen sich sogenannte Waferbond-Verfahren.
Sowohl Epitaxieverfahren als auch Waferbond-Verfahren besitzen den Nachteil, aufwendig und daher teuer zu sein. Das Waferbondverfahren besitzt darüber hinaus den Nachteil, dass die Ladungsträgerlebensdauer in dem verbundenen Halbleiterkörper im Bereich der Grenzfläche zwischen den beiden ursprünglichen Halbleiterkörpern deutlich reduziert ist, was sich nachteilig auf die Funktion, insbesondere das Abschaltverhalten, eines Bauelements mit einer auf diese Weise erzeugten vergrabenen Zone auswirken kann.
In der oben genannten DE 102 43 758 A1 ist beschrieben, eine vergrabene Feldstoppzone durch Protonenbestrahlung und einen nachfolgenden Ausheilschritt bei Temperaturen zwischen 250°C und 500°C herzustellen. Durch die Protonenbestrahlung werden zum Einen Defekte in dem Halbleiterkörper erzeugt und zum Anderen wird dadurch Wasserstoff in den Halbleiterkörper eingebracht, wobei aus den Defekten und dem Wasserstoff während des Ausheilschrittes wasserstoffinduzierte Donatoren bzw. wasserstoffkorrelierte Donatoren entstehen. Die durch ein solches Verfahren erzeugten Dotierungsprofile folgen im Wesentlichen der Verteilung der durch die Bestrahlung hervorgerufenen Primärdefekte. Diese Verteilung verläuft in Bestrahlungsrichtung gaußförmig, wobei die Halbwertsbreite bei Protonenbestrahlung vergleichsweise schmal ist, woraus bei Verwendung nur einer Bestrahlungsenergie eine schmale dotierte Zone resultiert.
Die DE 102 45 089 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines tiefen Dotierprofils in einem Halbleiterkörper. Bei diesem Verfahren werden Kristallschäden in dem Halbleiterkörper erzeugt und Wasserstoffionen ausgehend von einer Oberfläche in den Halbleiterkörper eingebracht. Anschließend wird ein Temperaturprozess durchgeführt, dessen Temperatur im Bereich von weniger als 550°C oder weniger als 450°C betragen kann.
Die DE 102 40 107 A1 beschreibt ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer vergrabenen Feldstoppzone, die unter Anwendung einer Protonenbestrahlung hergestellt werden kann.
In Ammerlaan, C. A. J.: Die physikalische Beschaffenheit von TDDen. IN: EMIS Datarevies Series. 1999, Vol. 20 (Properties of crystalline silicon), S. 663–668. ISBN: 0-85296-933-3, ist das Phänomen der Erzeugung sogenannter thermischer Doppeldonatoren ”thermal double donors” in Czochralski-Silizium beschrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung werden hierzu Sauerstoffkonzentrationen im Bereich von 10¹⁸ cm^–3 und Temperaturen im Bereich von 350°C bis 550°C benötigt.
Gemäß WIDMANN, D.; MADER, H.; FRIEDRICH, H.: Technologie hochintegrierter Schaltungen. 2. Auflage. Berlin [u. a.]: Springer, 1996 (Halbleiter-Elektronik 19). S. 42–43. ISBN: 3-540-59357-8, weist Czochralski-Silizium Sauerstoffkonzentrationen im Bereich von 5·10¹⁷ bis 2·10¹⁸ cm^–3 auf.
Die Nachteile, die die Verwendung eines Czochralski-Halbleitermaterials für die Herstellung von Leistungsbauelementen mit sich bringt, sind in Taylor, P.: „Thyristor Design and Realization”, John Wiley & Sons, 1992, Seite 162 und 163 beschrieben.
Die US 2003/0054641 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von thermischen Donatoren in einem nach dem Czochralski-Verfahren hergestellten Wafer. Bei diesem Verfahren wird der Wafer einer Temperaturbehandlung unterzogen, um einen oberflächennahen Bereich zu erzeugen, der frei an Sauerstoffpräzipitaten ist.
Die US 6 610 572 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, Protonen in einen Halbleiterkörper zu implantieren und anschließend einen Temperaturprozess bei Temperaturen von weniger als 700°C durchzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauelements mit einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere die Herstellung einer breiteren n-dotierten Zone ermöglicht, und ein Leistungsbauelement mit einer solchen vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein Leistungsbauelement nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone in einem Halbleiterkörper umfasst das Erzeugen einer Sauerstoffkonzentration wenigstens in dem zu dotierenden Bereich in dem Halbleiterkörper, das Bestrahlen des Halbleiterkörpers über eine Seite mit nicht-dotierenden Teilchen mit einer Implantationsenergie zwischen 0,15 MeV und 20 MeV zur Erzeugung von Defekten in dem zu dotierenden Bereich und das Durchführen eines Temperaturschrittes bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C.
Die für die Bestrahlung des Halbleiterkörpers verwendeten Teilchen sind Heliumionen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, werden die durch die Bestrahlung erzeugten Defekte durch den nachfolgenden Temperaturprozess umgewandelt, wobei sogenannte thermische Doppeldonatoren (TDDen) entstehen, die im Wesentlichen einen Defektkern und an den Defektkern angelagerte Sauerstoffatome umfassen. Das sich ausbildende Donatorprofil wird durch das Primärdefektprofil, also das Profil der sich durch die Bestrahlung einstellenden Primärdefekte, beeinflusst. Das Verteilungsprofil der Donatoren in dem Halbleiterkörper entspricht einem gegenüber dem Verteilungsprofil der Primärdefekte verbreiterten Profil, sofern die Sauerstoffkonzentration in dem Bereich der Primärdefekte wenigstens annähernd als gleichverteilt angenommen werden kann, d. h. in dem Bereich der Primärdefekte räumlich nicht zu stark schwankt. Der Ort des Maximums der Defektverteilung ausgehend von der Bestrahlungsseite bzw. der Abstand des Ortes dieses Maximums von der Bestrahlungsseite ist abhängig von der Bestrahlungsenergie und der Art der verwendeten nicht-dotierenden Teilchen.
Die physikalische Beschaffenheit von TDDen ist in C. A. J. Ammerlean, EMIS Datareview Series No. 20 (1999), S. 663–668, beschrieben.
Die zur Bildung der thermischen Doppeldonatoren erforderliche Sauerstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper wird vor der Bestrahlung mit nicht-dotierenden Teilchen beispielsweise durch einen Oxidationsschritt eingestellt, bei dem der Halbleiterkörper in einer Sauerstoffatmosphäre aufgeheizt wird. Bei der Herstellung von Leistungsbauelementen, wie beispielsweise Leistungsdioden, Leistungs-IGBTs oder Leistungsthyristoren, ist einer der ersten Prozessschritte des Herstellungsverfahrens üblicherweise ein solcher Oxidationsschritt, so dass die zur Herstellung von Leistungsbauelementen verwendeten Halbleiterkörper ohnehin eine ausreichende Sauerstoffkonzentration besitzen, die im Bereich von einigen 10¹⁶ cm^–3 liegt.
Im Vergleich zu dem bekannten Verfahren, bei dem eine vergrabene n-dotierte Halbleiterzone durch eine Protonenimplantation und einen nachfolgenden Ausheilschritt hergestellt wird, kann durch die Implantation von Heliumionen die Breite des Bereiches mit hoher Defekthäufigkeit und damit die Breite des daraus resultierenden Bereiches hoher n-Dotierung deutlich vergrößert werden. Darüber hinaus verkleinert sich der Gradient, mit dem die Dotierungskonzentration des durch das Verfahren erzeugten n-dotierten Bereiches in Richtung solcher Bereiche, die durch das Verfahren nicht dotiert werden, abfällt. Simulationen zeigen, dass das Abschaltverhalten von Leistungsbauelementen, beispielsweise von Leistungsdioden, deutlich verbessert werden kann, wenn die Bauelemente eine Feldstoppzone mit einem Dotierungsverlauf in vertikaler Richtung zur Oberfläche mit einem solchen kleinen Gradienten in Richtung des Bauelementinnern besitzen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Bestrahlung des Halbleiterkörpers über die eine Seite ganzflächig erfolgen, woraus eine n-dotierte Halbleiterzone resultiert, die in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers beabstandet zu der einen Seite angeordnet ist und die sich in einer lateralen Richtung vollständig durch den Halbleiterkörper erstreckt.
Die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit den nicht-dotierenden Bereichen kann außerdem auch maskiert unter Verwendung einer Maske durchgeführt werden, woraus vergrabene n-dotierte Abschnitte resultieren, deren Abmessungen in lateraler Richtung im Wesentlichen durch die bei der Bestrahlung verwendete Maske bestimmt sind.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch die Bestrahlung und den anschließenden Temperaturschritt ein verbreitertes Dotierungsprofil der TDDen zu erhalten, indem auf die Bestrahlungsseite eine durchgehende Metallisierungsschicht, beispielsweise aus Aluminium aufgebracht wird, durch welche die Bestrahlung erfolgt. Die Bestrahlungsenergie muss gegenüber der Bestrahlung ohne solche Schicht dabei erhöht werden, um den Ort des Maximums an einer vorgegebenen Position zu erhalten.
Bei dem bisher erläuterten Verfahren wird davon ausgegangen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Bereich, in dem Primärdefekte erzeugt werden, wenigstens annähernd konstant ist. Eine solche gleiche Verteilung des Sauerstoffs kann durch entsprechend lange Oxidationsschritte erreicht werden, und ist insbesondere im oberflächennahen Bereich, also dem Bereich, in dem üblicherweise Feldstoppzonen in Leistungsbauelementen erzeugt werden, vorhanden. Das nicht konstante Dotierungsprofil der Doppeldonatoren wird bei diesem Verfahren durch die Erzeugung nicht gleichverteilter Primärdefekte erhalten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, das Dotierungsprofil der erzeugten Doppeldonatoren durch ein nicht konstantes Sauerstoffkonzentrationsprofil vorzugeben. Ein solches Sauerstoffprofil kann durch geeignete Steuerung eines Oxidationsprozesses, durch den eine Eindiffusion von Sauerstoff in den Halbleiterkörper erfolgt, eingestellt werden, wobei die während des Diffusionsvorgangs gewählte Diffusionstemperatur und die Diffusionsdauer das Konzentrationsprofil der eindiffundierenden Sauerstoffatome bestimmen. Primärdefekte werden bei diesem Verfahren beispielsweise durch eine Elektronenbestrahlung erzeugt. Eine solche Elektronenbestrahlung führt in einem durch die Bestrahlungsenergie vorgegebenen Defektbereich zu einer im Wesentlichen homogenen Defektverteilung in vertikaler Richtung zur Scheibenoberfläche, wenn die Beschleunigungsenergie der Elektronen hinreichend groß gewählt ist. An die Bestrahlung schließt sich ein Temperaturschritt bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C an, durch den Doppeldonatoren aus den Defekten und dem Sauerstoff gebildet werden, wobei die Donatorkonzentration im Wesentlichen der Sauerstoffkonzentration folgt. Mittels eines solchen Verfahrens können n-dotierte Bereiche mit einem sehr flachen Gradienten des Dotierungsverlaufs erzeugt werden.
Vorteilhafterweise wird ein solches Verfahren zur Erzeugung eines Dotierungsverlaufs mit flachem Gradienten mit einer Bestrahlung mit nicht-dotierenden mehr als einwertigen Teilchen kombiniert. Die Elektronenbestrahlung führt zu einem breiteren Defektbereich mit einer niedrigeren maximalen Defektverteilung, woraus in der Summe nach dem Ausheilschritt eine n-dotierte Zone mit einem Abschnitt hoher Dotierungskonzentration und einer langsamen Abnahme der Dotierungskonzentration in Richtung nicht durch das Verfahren dotierter Bereiche entsteht.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone während einzelner Verfahrensschritte.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens während einzelner Verfahrensschritte.
3 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen Leistungs-IGBT mit einer durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten n-dotierten Halbleiterzone, die die Funktion einer Feldstoppzone erfüllt.
4 veranschaulicht den Dotierungsverlauf in einer erfindungsgemäß hergestellten n-dotierten Zone im Vergleich zu einer mittels Protonenbestrahlung hergestellten Zone. Aufgetragen ist die Dotierungskonzentration über der Tiefe des Halbleiterkörpers ausgehend von der bestrahlten Seite.
5 veranschaulicht den Dotierungsverlauf für eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der neben einer Bestrahlung mit nicht-dotierenden Teilchen eine Elektronenbestrahlung erfolgt.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1a zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen Halbleiterkörper 100 während eines ersten Verfahrensschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine Seite 101 des Halbleiterkörpers 100 mit nicht-dotierenden Teilchen bestrahlt wird, um diese nicht-dotierenden Teilchen in den Halbleiterkörper 100 zu implantieren. Die Bestrahlungsseite 101 ist dabei je nach Verwendungszeck der durch das Verfahren hergestellten dotierten Zone die Vorder- oder Rückseite des Halbleiterkörpers bzw. Halbleiterchips 100.
Die in den Halbleiterkörper 100 implantierten Teilchen rufen Primärdefekte in dem Halbleiterkörper 100 hervor, wobei die Verteilung der Primärdefekte in Bestrahlungsrichtung, die in den Figuren als x-Richtung bezeichnet ist, annähernd einer Gauß-Verteilung folgt. Die Lage des Maximums der Primärdefektverteilung bzw. der Abstand dieses Maximums von der Bestrahlungsseite 101 ist dabei abhängig von der Bestrahlungs- bzw. Implantationsenergie und der Art der implantierten Teilchen. Die implantierten Teilchen sind vorzugsweise mehr als einwertige Teilchen, wie beispielsweise Heliumionen, Kohlenstoffionen oder Siliziumionen. Die Implantationsenergie ist abhängig von der gewünschten Implantationstiefe gewählt, die bei höhersperrenden Bauelementen bis zu einigen hundert μm betragen kann. Die Implantationsenergien für Helium liegen hierfür beispielsweise im Bereich zwischen 0,15 MeV und 20 MeV.
Ein zu der Bestrahlungsseite 101 beabstandet angeordneter Halbleiterbereich, in dem das Maximum der Primärdefekte liegt, ist in 1a mit 20 bezeichnet.
An den Bestrahlungs- bzw. Implantationsschritt schließt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Ausheilschritt an, bei dem der Halbleiterkörper für eine vorgegebene Dauer auf Temperaturen zwischen 380°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 420°C und 460°C aufgeheizt wird. Die Dauer des Ausheilschrittes liegt zwischen 20 Minuten und 10 Stunden, vorzugsweise zwischen 20 Minuten und 2 Stunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren setzt voraus, dass in dem bestrahlten Halbleiterkörper 100 eine vorgegebene Sauerstoffkonzentration vorhanden ist, die etwa im Bereich von 10¹⁶ cm^–3 und darüber liegt und die beispielsweise durch einen Oxidationsschritt vor Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 eingestellt wird. Während des Ausheilschrittes bilden sich in dem Halbleiterkörper 100 thermische Doppeldonatoren aus, die aus den aus der Bestrahlung resultierenden Defekten und den vorhandenen Sauerstoffatomen bestehen und die n-dotierend wirken. Die Verteilung dieser thermischen Doppeldonatoren in dem Halbleiterkörper, und damit der Verlauf der Dotierungskonzentration, folgt dabei im Wesentlichen der aus der Bestrahlung resultierenden Primärdefektverteilung. Der nach dem Ausheilschritt in dem Halbleiterkörper 100 beabstandet zu der Bestrahlungsseite 101 vorhandene n-dotierte Bereich ist in 1 mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erfolgt die Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 ganzflächig über die Bestrahlungsseite 101, woraus nach dem Ausheilschritt eine beabstandet zu der Bestrahlungsseite 101 angeordnete, sich in lateraler Richtung über den gesamten Halbleiterkörper 100 erstreckende n-dotierte Halbleiterzone 21 resultiert.
2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Bestrahlung der Bestrahlungsseite 101 maskiert unter Verwendung einer Aussparungen 201 aufweisenden Maske 200 erfolgt. Die Maske 200 schützt vorgegebene Abschnitte des Halbleiterkörpers 100 vor Bestrahlung woraus in dem Halbleiterkörper 100 Defektbereiche 20' nur unterhalb der Aussparungen 201 der Maske 200 entstehen. Nach dem Ausheilschritt sind in dem Halbleiterkörper 100 mehrere in lateraler Richtung beabstandet zueinander angeordnete n-dotierte Abschnitte 21' vorhanden, deren Abstand zu der Bestrahlungsseite 101 in der bereits erläuterten Weise von der Bestrahlungsenergie und der Art der verwendeten Teilchen abhängig ist und deren Abstand in lateraler Richtung des Halbleiterkörpers 100 von der für die Bestrahlung verwendeten Maske 200 abhängig ist.
Die für die Bestrahlung verwendete Maske 200 ist beispielsweise eine Metallmaske, die entweder beabstandet zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 in den Strahlengang zwischen die Bestrahlungsquelle (nicht dargestellt) und den Halbleiterkörper 100 eingebracht ist, wie dies in 2a dargestellt ist, die jedoch auch unmittelbar auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers abgeschieden werden kann, um nach dem Bestrahlungsschritt wieder entfernt zu werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung n-dotierter Feldstoppzonen in Leistungsbauelementen, wie beispielsweise Leistungsdioden, Leistungs-IGBTs oder Leistungsthyristoren.
3 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen Leistungs-IGBT mit einer solchen n-dotierten Feldstoppzone. Die Ausgangsbasis für diesen Leistungs-IGBT bildet ein schwach n-dotierter Halbleiterkörper 100, in dem als Feldstoppzone mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vergrabene n-dotierte Halbleiterzone erzeugt wird. Diese Feldstoppzone 21 schließt sich in dem Bauelement an dessen p-Emitter 31 an, der im Bereich einer Rückseite des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet ist. Die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit n-dotierenden Teilchen zur Herstellung der Feldstoppzone 21 erfolgt für das dargestellte Bauelement vorzugsweise über die Seite des Halbleiterkörpers, die die spätere Rückseite 101 des Bauelements bildet. Die Herstellung des p-Emitters 31 im Rückseitenbereich erfolgt beispielsweise mittels eines Implantationsverfahrens über die Rückseite 101 und einen anschließenden Ausheilschritt. Erfolgt die Herstellung des p-Emitters bei Temperaturen größer als 500°C, so erfolgt die Herstellung des p-Emitters vor dem Verfahren zur Herstellung der vergrabenen Zone 21, da hierfür geringere Temperaturen erforderlich sind. Allgemein gilt, dass die Prozessschritte zur Herstellung dieser Halbleiterzone 21 so in den Gesamtprozess zur Herstellung des Bauelements einzufügen sind, dass Prozesse mit höheren Temperaturen als zur Herstellung der Halbleiterzone 21 erforderlich vorher durchgeführt werden und dass Prozesse mit niedrigeren Temperaturen als zur Herstellung der Halbleiterzone 21 erforderlich nachher durchgeführt werden. Der zur Herstellung der thermischen Doppeldonatoren (TDDen) erforderliche Ausheilschritt kann auch mit anderen Verfahrensschritten, beispielsweise der Temperung von Kontaktschichten kombiniert werden.
Im Bereich der Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers ist in hinlänglich bekannter Weise ein Zellenfeld mit p-dotierten Body-Zonen bzw. p-Basis-Zonen 41, n-dotierten n-Emitter-Zonen 42 und einer Gate-Elektrode 43 vorhanden. Die Gate-Elektrode 43 ist dabei isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 angeordnet und erstreckt sich benachbart zu in den Body-Zonen 41 angeordneten Kanalzonen zwischen den n-Emitter-Zonen 42 und solchen Abschnitten 45 des Halbleiterkörpers 100, die die Grunddotierung aufweisen. Der zwischen der Feldstoppzone 21 und den Body-Zonen 41 vorhandene, die Grunddotierung aufweisende Abschnitt 45 des Halbleiterkörpers bildet die Driftzone bzw. die n-Basis des IGBT.
4 zeigt in einer ersten Kurve I das Dotierungsprofil einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten n-dotierten Halbleiterzone in einem Silizium-Halbleiterkörper. In 4 ist die Dotierungskonzentration dieser Halbleiterzone über der Bestrahlungsrichtung (x-Richtung) aufgetragen, wobei die an der x-Achse angegebenen Zahienwerte den Abstand zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers an der Bestrahlungsseite bezeichnen. Die Dotierungskonzentration wurde für die Kurve in 4 mittels CV-Messungen (CV = Capacitance-Voltage) ermittelt.
Die Herstellung der n-dotierten Halbleiterzone in dem der Messung zugrunde liegenden Halbleiterkörper erfolgte durch Implantation von Heliumionen mit einer Energie von 5,4 MeV und einer Dosis von 7·10¹⁰ cm^–2 und einem anschließenden Ausheilschritt bei 430°C und einer Dauer von 60 Minuten. Die Sauerstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper betrug etwa 10¹⁶ cm^–3.
Das Dotierungsmaximum liegt in dem Beispiel bei etwa 2,5·10¹⁴ cm^–3, die Halbwertsbreite der Dotierungsverteilung beträgt etwa 5,3 μm. Die Halbwertsbreite ist in bekannter Weise der Abstand zwischen den beiden Orten, an denen die Dotierungskonzentration noch 50% der maximalen Konzentration beträgt.
Zum Vergleich ist in 4 als Kurve II der Dotierungsverlauf für eine durch Protonenbestrahlung und anschließende Ausheilung hergestellte n-dotierte Halbleiterzone dargestellt. Die Bestrahlungsparameter für die Protonenbestrahlung wurden so gewählt, dass sich eine entsprechende maximale Dotierungskonzentration (Peakkonzentration) von etwa 2,5·10¹⁴ cm^–3 ergab. Die Bestrahlungsenergie für die Protonen betrug dabei 1,5 MeV bei einer Bestrahlungsdosis von 10¹³ cm^–2, die Ausheilung erfolgte bei einer Temperatur von 420°C und einer Dauer von 30 Minuten.
Wie dem Dotierungsverlauf in Kurve II zu entnehmen ist, weist der aus der Protonenimplantation resultierende dotierte Bereich eine wesentlich geringere Halbwertsbreite von nur etwa 3,6 μm auf. Darüber hinaus ist bei der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten n-dotierten Halbleiterzone der Gradient, mit welcher die Dotierungskonzentration ausgehend von der Peakkonzentration abfällt deutlich geringer als bei der durch Protonenimplantation hergestellten n-dotierten Halbleiterzone. Ein kleiner Gradient des Verlaufs der Dotierungskonzentration, d. h. eine schwächer abnehmende Dotierung ausgehend von dem Ort der Peakkonzentration in Richtung der der Bestrahlungsseite abgewandten Seite des Halbleiterkörpers bzw. ausgehend von dem Ort der Peakkonzentration weiter in den Halbleiterkörper hinein, ist insbesondere bei Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten n-dotierten Halbleiterzone als Feldstoppzone in Leistungsbauelementen vorteilhaft, da sich ein kleiner Gradient in diesem Bereich des Dotierungsverlaufes positiv auf das Abschaltverhalten der Bauelemente auswirkt.
Die Halbwertsbreite bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterzone 21, 21' mit thermischen Doppeldonatoren wächst mit der über die Energie gesteuerten Reichweite bzw. der Eindringtiefe der Bestrahlung. Das Dotierungsprofil kann näher zur Oberfläche hin verschoben werden, indem die Bestrahlung durch eine Metallschicht oder Metallfolie hindurch vorgenommen wird. Beispielsweise bei einer Bestrahlung eines Silizium-Halbleiterkörpers mit Heliumkernen einer Energie von 5,4 MeV liegt das Maximum der Dotierung bei einer Eindringtiefe von 27 μm vor, die Halbwertsbreite beträgt zwischen 4 μm und 7 μm. Beispielsweise bei einer Bestrahlung durch eine Aluminiumschicht der Dicke 7 μm liegt der Scheitelwert der Dotierungskonzentration bei 20 μm. Bei Bestrahlung durch eine noch dickere Schicht kann der Scheitelwert näher an der Oberfläche platziert werden, ohne dass sich die Halbwertsbreite und der damit verbundene flache Gradient ändern.
Ebenso ist es möglich, auf diese Weise bei festgehaltener Tiefe des Dotierungsmaximums die Halbwertsbreite zu erhöhen, da mit zunehmender Dicke der zusätzlich durchstrahlten Schicht die Implantationsenergie erhöht werden muss, um dieselbe Eindringtiefe zu erzielen, wodurch sich die Halbwertsbreite erhöht.
Der Verlauf der Dotierungskonzentration ausgehend von der Peakkonzentration kann noch weiter abgeflacht werden. Hierzu wird zunächst ein flaches Sauerstoffprofil in dem Halbleiterkörper erzeugt, d. h. die Sauerstoffkonzentration wird so eingestellt, dass sie ausgehend von der Oberfläche mit einem kleinen Gradienten abnimmt. Ein solcher Bereich kann beispielsweise durch Eindiffusion von Sauerstoff in den Halbleiterkörper erzeugt werden. Anschließend erfolgt eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Elektronen, wodurch Defekte entstehen, die im Wesentlichen homogen verteilt sind. Zusätzlich zu der Elektronenbestrahlung erfolgt die Bestrahlung mit den nicht-dotierenden, mehr als einwertigen Teilchen. An diese Bestrahlungsschritte kann sich ein gemeinsamer Ausheilschritt bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C anschließen, wodurch Rekombinationszentren im Wesentlichen beseitigt werden und in den Bereichen, in denen Sauerstoff vorhanden ist, thermische Doppeldonatoren gebildet werden. Das Dotierungsprofil, das sich bei Anwendung eines solchen Verfahrens ausbildet, ist in 5 dargestellt. Dieses Dotierungsprofil folgt im flachen Bereich der Konzentration des Sauerstoffeinbaus in den Halbleiterkörper, wobei die Dotierungskonzentration geringer als die Sauerstoffkonzentration ist.
Die höhere Donatorkonzentration in dem durch die nicht-dotierenden Teilchen bestrahlten Bereich ergibt sich aus der dort vorliegenden höheren Defektdichte.
Bezugszeichenliste

100: Halbleiterkörper
101: Bestrahlungsseite, Rückseite
102: Vorderseite
200: Maske
201: Aussparung der Maske
20, 20': Defektbereich
21, 21': n-dotierter Bereich
31: p-Emitter
41: p-Basis, Body-Zone
42: n-Emitter
43: Gate-Elektrode
44: Isolationsschicht
45: Driftzone, n-Basis
51: Emitter-Elektrode
C: Kollektor-Anschluss
E: Emitter-Anschluss

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauelements, das zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone (21) des Leistungsbauelements in einem Halbleiterkörper (100) folgende Verfahrensschritte aufweist: – Erzeugen einer Sauerstoffkonzentration wenigstens in dem zu dotierenden Bereich in dem Halbleiterkörper (100), – Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100) über eine Seite (101) mit nicht-dotierenden Teilchen mit einer Implantationsenergie zwischen 0,15 MeV und 20 MeV zur Erzeugung von Defekten in dem zu dotierenden Bereich, wobei die nicht-dotierenden Teilchen Heliumionen sind. – Durchführen eines Temperaturschrittes bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C zur Erzeugung thermischer Doppeldonatoren in dem zu dotierenden Bereich.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sauerstoffkonzentration durch Aufheizen des Halbleiterkörpers (100) in einer Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sauerstoffkonzentration zwischen 5·10¹⁵ cm^–3 und 5·10¹⁷ cm^–3 beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100) aus Silizium besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlungsdosis der nicht-dotierenden Teilchen zwischen 10⁹ cm^–2 und 10¹³ cm^–2 beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dauer des Temperaturschrittes zwischen 20 Minuten und 10 Stunden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung des Halbleiterkörpers (100) maskiert unter Verwendung einer Maske erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in dem zu dotierenden Bereich wenigstens annäherungsweise homogen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Halbleiterkörper (100) vor Durchführung des Temperaturschrittes über die eine Seite (101) zusätzlich mit Elektronen bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Verteilung der Sauerstoffkonzentration in dem zu dotierenden Bereich inhomogen ist und ausgehend von der einen Seite (101) abnimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Temperaturen während des Temperaturschrittes zwischen 420°C und 460°C betragen.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungsbauelements, das zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone (21) des Leistungsbauelements in einem Halbleiterkörper (100) folgende Verfahrensschritte aufweist: – Erzeugen einer inhomogenen Sauerstoffkonzentration wenigstens in dem zu dotierenden Bereich in dem Halbleiterkörper (100), – Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100) über eine Seite (101) mit Elektronen zur Erzeugung von Defekten in dem zu dotierenden Bereich, – Durchführen eines Temperaturschrittes bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C zur Erzeugung thermischer Doppeldonatoren in dem zu dotierenden Bereich.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Dauer des Temperaturschrittes zwischen 20 Minuten und 10 Stunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Dauer des Temperaturschrittes zwischen 20 Minuten und 2 Stunden beträgt
Leistungsbauelement mit einem Halbleiterkörper (100), hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche
Leistungsbauelement nach Anspruch 15, bei dem die Dotierungskonzentration in der Halbleiterzone (21) einem gaußförmigen Profil folgt, wobei eine maximale Dotierungskonzentration zwischen 10¹⁴ cm^–3 und 10¹⁶ cm^–3 liegt.
Leistungsbauelement nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Abstand der maximalen Dotierungskonzentration der Halbleiterzone (21) zu einer Seite (101) des Halbleiterkörpers (100) zwischen 10 μm und 30 μm beträgt und die Halbwertsbreite 4 μm bis 8 μm beträgt.
Leistungsbauelement nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Abstand der maximalen Dotierungskonzentration der Halbleiterzone (21) zu einer Seite (101) des Halbleiterkörpers (100) zwischen 20 μm und 50 μm beträgt und die Halbwertsbreite 6 μm bis 12 μm beträgt.
Leistungsbauelement nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Abstand der maximalen Dotierungskonzentration der Halbleiterzone (21) zu einer Seite (101) des Halbleiterkörpers (100) zwischen 5 μm und 15 μm beträgt und die Halbwertsbreite 2 μm bis 4 μm beträgt.