DE102005011873B4

DE102005011873B4 - Verfahren zur Erzeugung einer Zone erhöhter Rekombination, insbesondere verwendbar in Bodygebieten von Leistungstransistoren

Info

Publication number: DE102005011873B4
Application number: DE102005011873A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Ralf Dr. Siemieniec; Helmut Dr. Strack
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: DE102005011873A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Zone (11) erhöhter Rekombination in einem Halbleiterkörper (2), mit den folgenden Schritten:
– Erzeugen von Leerstellenagglomeraten im Halbleiterkörper (2), indem dieser mit Siliziumionen bestrahlt wird, wobei die Implantationsenergie während des Bestrahlungsprozesses so gewählt wird, dass der Tiefenbereich der erzeugten Leerstellenagglomerate dem Tiefenbereich des R_p/2-Bereichs und abgeschwächt des R_p-Bereichs entspricht (R_p = maximale Eindringtiefe der Ionen im Halbleiterkörper), und
– Durchführen eines Diffusionsprozesses, um Schwermetall in die Leerstellenagglomerate einzulagern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Zone erhöhter Rekombination in einem Halbleiterkörper.
Zonen erhöhter Rekombination in Halbleiterkörpern können unterschiedlichsten Zwecken dienen. Beispielsweise ermöglicht eine Zone erhöhter Rekombination innerhalb eines Bodygebiets eines Leistungstransistors eine Reduzierung des Transistorverstärkungsfaktors, was wiederum die Sperrfähigkeit des Leistungstransistors erhöht sowie die Gefahr des Aktivierens parasitärer Strukturen im Kurzschlussfall sowie bei Überstromabschalt-Vorgängen verringert.
In der DE 40 26 797 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Rekombinationszentren in einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine Zone erhöhter Rekombinationszentrendichte in einer Tiefe erzeugt, die im Wesentlichen der Reichweite von Ionen entspricht, mit welchen zuvor eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers vorgenommen wurde, an die sich dann die Eindiffusion von Gold oder Platin angeschlossen hat. Für die Ionenbestrahlung selbst werden Wasserstoffkerne und Heliumkerne verwendet. Damit kann also nur eine Zone erhöhter Rekombinationszentrendichte durch Bestrahlung mit kleinen Atomkernen und anschließende Eindiffusion von Gold oder Platin erzeugt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Erzeugung einer Strukturierten derartigen Zone erhöhter Rekombination mit nur einem Implantationsschritt in einem Halbleiterkörper anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer Zone erhöhter Rekombination in einem Halbleiterkörper ist also gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

– Erzeugen von Leerstellenagglomeraten im Halbleiterkörper, indem dieser mit Siliziumionen bestrahlt wird, wobei die Implantationsenergie während des Bestrahlungsprozesses so gewählt wird, dass der Tiefenbereich der erzeugten Leerstellenagglomerate dem Tiefenbereich des R_p/2-Bereichs und abgeschwächt des R_p-Bereichs entspricht (R_p = maximale Eindringtiefe der Ionen im Halbleiterkörper), und
– Durchführen eines Diffusionsprozesses, um Schwermetall in die Leerstellenagglomerate einzulagern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Zonen erhöhter Rekombination innerhalb des Halbleiterkörpers in beliebiger Tiefe. Die Tiefe der Zone erhöhter Rekombination wird über die Bestrahlungsenergie gesteuert. Die Einstellung der Rekombinationsrate erfolgt durch Variation der Bestrahlungsdosis sowie durch die Parameter des Diffusionsprozesses (Dauer und Temperatur des Diffusionsprozesses sowie Art des Schwermetalls).
Bei Bestrahlung eines Halbleiterkörpers – z. B. aus Silizium bestehend – mit Siliziumionen werden Leerstellenagglomerate besonders stark in zwei Tiefenbereichen erzeugt, die als ”R_p-Bereich” und als ”R_p/2-Bereich” bezeichnet werden. R_p entspricht dabei der maximalen Eindringtiefe der Ionen in den Halbleiterkörper.
Bei der Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Silizium-Ionen werden die Leerstellenagglomerate insbesondere im R_p/2-Bereich und und des Weiteren (abgeschwächt) im R_p-Bereich erzeugt. Die Parameter des Diffusionsprozesses (Temperatur, Dauer, Art des Schwermetalls) werden daher bei einer Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Siliziumionen vorzugsweise so gewählt, dass die Schwermetalle in Leerstellenagglomerate eingelagert werden, die sich innerhalb des R_p/2-Bereichs befinden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Parameter des Bestrahlungsprozesses so gewählt werden, dass der R_p/2-Bereich in der Tiefe des Halbleiterkörpers erzeugt wird, in der die Zone erhöhter Rekombination ausgebildet werden soll.
Da es möglich ist, sowohl in die Leerstellenagglomerate des R_p/2-Bereichs als auch in die Leerstellenagglomerate des R_p-Bereichs Schwermetall einzulagern, werden gleichzeitig zwei unterschiedliche Zonen erhöhter Rekombination (in unterschiedlichen Tiefen) erzeugt.
Die Temperaturstabilität der Leerstellenagglomerate ist über die Bestrahlungsdosis steuerbar: Je höher die Bestrahlungsdosis ist, umso stabiler sind die Leerstellenagglomerate gegenüber den hohen Temperaturen, die benötigt werden, um das Schwermetall in die Leerstellenagglomerate einzudiffundieren.
Als Schwermetall kommt vorzugsweise Platin zum Einsatz, jedoch ist auch jedes andere Schwermetall prinzipiell geeignet, z. B. Gold, Iridium, Kupfer und Nickel.
Der Halbleiterkörper ist vorzugsweise Teil eines Leistungstransistors, d. h., das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft zur Erzeugung von Zonen erhöhter Rekombination in Leistungstransistoren anwenden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Zonen erhöhter Rekombination in Bodygebieten eines Leistungstransistors dienen. Zonen erhöhter Rekombination können jedoch auch in beliebigen anderen Bereichen eines Leistungstransistors erzeugt werden. Weiterhin ist es möglich, Zonen erhöhter Rekombination auch in anderen Bauteilen, beispielsweise Dioden, Thyristoren, IGBTs, etc. zu erzeugen.
In der folgenden Beschreibung sollen weitere Aspekte der Erfindung näher erläutert werden.
Erfindungsgemäß soll eine Zone in der Tiefe eines Halbleiterkörpers (z. B. einer Siliziumscheibe) erzeugt werden, die eine stark erhöhte Rekombination bewirkt. Ziel ist hierbei unter anderem die Realisierung von rückwärtssperrenden MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) mit ausreichender Sperrfähigkeit für beide Polungsrichtungen oder auch die Vermeidung des Einschaltens des parasitären Thyristors (latch up) bei IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), z. B. bei Überstromabschalten oder im Kurzschlussfall. Der Leckstrom des Bauelementes sollte aber dabei nicht zu stark erhöht werden.
Die angezielte Reduzierung der Transistorverstärkung wurde bislang im Allgemeinen durch ein möglichst hoch dotiertes Bodygebiet ermöglicht. Dieser Vorgehensweise sind einerseits technologische Grenzen gesetzt, andererseits aber auch Grenzen hinsichtlich der elektrischen Daten der Bauelemente, wie z. B. der Einsatzspannung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt darauf ab, eine schmale Zone, in der eine sehr hohe Rekombinationsrate vorliegt, zu erzeugen. Diese Zone wird gezielt in einer bestimmten Tiefe des p-dotierten Bodygebiets platziert, welche im sperrenden Zustand möglichst nicht von der Raumladungszone erfasst werden sollte. Das Verfahren lässt sich auch dann anwenden, wenn n-dotierte Bodygebiete vorliegen, d. h. Zonen erhöhter Rekombination können gleichermaßen in n-dotierten Gebieten und in p-dotierten Gebieten erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Ionenimplantation mit Siliziumatomen durchgeführt, die im Bereich des so genannten ”end of range” (R_p-Bereich) und auch im so genannten R_p/2-Bereich zu ausgedehnten Leerstellenagglomeraten führen. Wird die Ionenimplantation bzw. die Bestrahlung mit ausreichend hoher Dosis durchgeführt, sind diese Agglomerate so stabil, dass sie mit Temperaturen deutlich oberhalb von 700°C belastet werden können, ohne dabei auszuheilen.
Hierbei ist anzumerken, dass eine Implantation von Siliziumatomen zu einer ausgeprägten Bildung von so genannten Voids bzw. Nanocavities im R_p/2-Bereich führt, so dass die sich nach den Folgeprozessen ausbildende Rekombinationszone ebenfalls in dieser Tiefe liegt. Bei einer Heliumbestrahlung dagegen findet die Erzeugung der Voids vorzugsweise im Bereich R_p statt. Abhängig von der implantierten Ionenart muss daher die Implantationsenergie so gewählt werden, dass die Tiefe d der angezielten Rekombinationsschicht mit R_p/2 oder R_p übereinstimmt. Bei einem Bodygebiet, das ausreichend tief ausgestaltet ist, können sowohl im Tiefenbereich R_p/2 als auch im Tiefenbereich R_p Zonen erhöhter Rekombination erzeugt werden.
Die Tatsache, dass die Halbleiterkörper (z. B. Siliziumscheiben) nach der Erzeugung dieser Voids auch mit relativ hohen Temperaturen belastet werden können, eröffnet die Möglichkeit, nach der Erzeugung der Agglomerate eine Schwermetalldiffusion durchzuführen. Hierbei wird sich ein großer Anteil der eindiffundierten Schwermetalle – geeignet sind z. B. Platin- oder Goldatome – in die Voids einlagern. Die so dekorierten Voids können zu einer extremen Rekombination führen. Dementsprechend kann in einem (Leistungs-)Transistor der Transistorverstärkungsfaktor drastisch abgesenkt werden, wenn die Rekombinationszone in die Basiszone eingebracht wird und somit der Anteil der Ladungsträger, der vom Emitter in die Basis injiziert wird und den Kollektor erreicht, auf vernachlässigbare Werte reduziert wird.
Im Allgemeinen bietet es sich an, die Ionenimplantation bzw. Bestrahlung maskiert durchzuführen, d. h. während der Implantation bzw. Bestrahlung mit Abdeckschichten zu arbeiten, um somit die Zonen starker Rekombination nur dort zu erzeugen, wo sie erwünscht sind. Ebenso kann der Schwermetall-Eindiffusionsprozess maskiert durchgeführt werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Prinzips für das Beispiel eines rückwärtssperrenden MOSFETs.
Die Tiefe der Zone starker Rekombination kann über die Wahl der Implantations- bzw. Bestrahlungsenergie festgelegt werden. Die Platindiffusion kann z. B. bei Temperaturen, die zwischen 400 und 1000°C, vorzugsweise zwischen 700°C und 900°C liegen, über einen Zeitraum von typischerweise 30 Minuten bis zu einigen Stunden (z. B. vier Stunden), vorgenommen werden.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht also darin, in einem Halbleiterkörper, z. B. einem Bodygebiet, einen Bereich stark erhöhter Rekombination zu erzeugen, indem mittels einer Siliziumionenimplantation Leerstellenagglomerate hervorgerufen werden, die bei einem anschließenden Hochtemperaturschritt mit Schwermetallen angereichert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1A eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines vertikalen Leistungstransistors, in dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zone erhöhter Rekombination erzeugt wurde.
1B schematisch den zu 1A zugehörigen Verlauf der Strahlenschäden und der Schwermetallkonzentration, erzeugt durch eine Si-Implantation in einen Si-Kristall mit anschließender Schwermetalldiffusion.
Die Dotierung sämtlicher Ausführungsformen kann invers ausgestaltet sein, d. h., n-Gebiete können durch p-Gebiete ersetzt werden und umgekehrt.
In 1A ist ein Leistungstransistor 1 (MOSFET) zu sehen, in dessen Halbleiterkörper 2 (der in dieser Ausführungsform aus Silizium besteht) ein n-dotiertes Substrat 3, ein p-dotiertes Bodygebiet 4, ein n-dotiertes Sourcegebiet 5 sowie Source-/Bodykontaktgebiete 6 vorgesehen sind. In dem Halbleiterkörper 2 ist weiterhin ein Trench 7 vorgesehen, in den eine Gateelektrode 8 eingebettet ist. Die Gateelektrode 8 ist mittels einer Isolationsschicht 9 gegenüber dem Halbleiterkörper 2 elektrisch isoliert.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Halbleiterkörper 2 von der Vorderseite 10 her mit Siliziumionen bestrahlt. Durch die Bestrahlung entsteht innerhalb des Bodygebiets 4 eine Zone 11, in der Leerstellenagglomerate, die durch die Bestrahlung mit Silizium-Ionen erzeugt werden, besonders gehäuft auftreten (”R_p/2-Bereich”). Anschließend wird mittels eines Diffusionsprozesses Schwermetall in die Zone 11 eingelagert, so dass eine Zone erhöhter Rekombination entsteht. In dieser Ausführungsform werden die Bestrahlungsparameter so gewählt, dass der R_p/2-Bereich der Lage der Zone 11 erhöhter Rekombination entspricht, und die Parameter des Diffusionsprozesses so gewählt, dass eine Einlagerung des Schwermetalls vorwiegend in den R_p/2-Bereich hinein und nur zu einem geringeren Teil in den R_p-Bereich hinein erfolgt.
1B zeigt einen zugehörigen Schwermetall-Konzentrationsverlauf 12₁ (hier: Platin) sowie einen zugehörigen Leerstellenagglomerat-Konzentrationsverlauf (Strahlenschäden-Konzentrationsverlauf) 12₂ für das Beispiel der Silizium-Implantation mit einem Maximum der Leerstellenagglomerate im R_p/2-Bereich.

1: Leistungstransistor
2: Halbleiterkörper
3: Substrat
4: Bodygebiet
5: Sourcegebiet
6: Source-/Bodykontaktgebiet
7: Trench
8: Gateelektrode
9: Isolationsschicht
10: Halbleiterkörper-Vorderseite
11: Zone erhöhter Rekombination
12₁: Schematischer Verlauf der Schwermetall-Konzentration
12₂: Schematischer Verlauf der Strahlenschäden-Konzentration

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Zone (11) erhöhter Rekombination in einem Halbleiterkörper (2), mit den folgenden Schritten: – Erzeugen von Leerstellenagglomeraten im Halbleiterkörper (2), indem dieser mit Siliziumionen bestrahlt wird, wobei die Implantationsenergie während des Bestrahlungsprozesses so gewählt wird, dass der Tiefenbereich der erzeugten Leerstellenagglomerate dem Tiefenbereich des R_p/2-Bereichs und abgeschwächt des R_p-Bereichs entspricht (R_p = maximale Eindringtiefe der Ionen im Halbleiterkörper), und – Durchführen eines Diffusionsprozesses, um Schwermetall in die Leerstellenagglomerate einzulagern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall in Leerstellenagglomerate eingelagert wird, die sich innerhalb des R_p-Bereichs und des R_p/2-Bereichs befinden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilität der Leerstellenagglomerate über die Bestrahlungsdosis gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungsdosis 10¹¹ bis 10¹⁵ Ionen/cm², vorzugsweise 10¹² bis 10¹⁴ Ionen/cm², beträgt.
Verfahren nach einem der Anprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des Halbleiterkörpers (2) unter Verwendung einer Bestrahlungsmaske erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsprozess bei einer Temperatur zwischen 400°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen 700°C und 900°C, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall Platin, Gold, Irdium, Kupfer oder Nickel ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Diffusionsprozesses 30 Minuten bis 4 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusionsprozess unter Verwendung einer Diffusionsmaske erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (2) Teil eines Leistungstransistors (1) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone erhöhter Rekombination (11) in Bodygebieten (4) des Leistungstransistors (1) erzeugt wird.