DE102006004627B3 - Power semiconductor device with charge compensation structure and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur (3) und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Leistungshalbleiterbauelement (1, 2) weist in einem monokristallinen Halbleiterkörper (4) eine Driftstrecke (5) zwischen zwei Elektroden auf. Die Driftstrecke (5) hat Driftzonen (9) eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad (16) zwischen den Elektroden in der Driftstrecke (5) bereitstellen und Ladungskompensationszonen (11) eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, die den Strompfad der Driftstrecke (5) einengen. Die Zonen der Driftstrecke (5) weisen diffusionshemmende Bereiche (23) mit diffusionshemmenden Störstellen und/oder mit diffusionshemmenden Punktdefekten für mindestens einen der Leitungstypen auf, wobei die diffusionshemmenden Bereiche (23) derart angeordnet sind, dass sie die Ladungskompensationszonen (11) in ihrer lateralen Erstreckung begrenzen.The invention relates to a power semiconductor component with a charge compensation structure (3) and a method for producing the same. The power semiconductor component (1, 2) has a drift path (5) between two electrodes in a monocrystalline semiconductor body (4). The drift path (5) has drift zones (9) of a first conductivity type, which provide a current path (16) between the electrodes in the drift path (5) and charge compensation zones (11) of a conductivity type complementary to the first conductivity type, which form the current path of the drift path (5) constrict. The zones of the drift path (5) have diffusion-inhibiting areas (23) with diffusion-inhibiting imperfections and / or with diffusion-inhibiting point defects for at least one of the conduction types, the diffusion-inhibiting areas (23) being arranged in such a way that they the charge compensation zones (11) in their lateral Limit extension.
Description
Die
Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur
und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Leistungshalbleiterelement
weist in einem monokristallinen Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen
zwei Elektroden auf, wie es aus der Druckschrift
Ein Nachteil dieses bekannten Leistungshalbleiterelements ist es, dass die Kompensationszonen säulenförmig aufgebaut sind und mit ihren komplementären Störstellen bei der Herstellung neben einer vertikalen Diffusion im Aufbau der Kompensationssäulen auch einer horizontalen Diffusion unterliegen, und damit die Driftzonen stärker einengen als es bei Unterdrückung der lateralen Diffusion möglich ist. Durch diese in gewissem Grade unkontrollierte Einengung der Driftzonen einer Driftstrecke wird eine weitere Verminderung des Einschaltwiderstands eines derartigen Leistungshalbleiterelement in Form eines sog. "CoolMOS" behindert.One Disadvantage of this known power semiconductor element is that the compensation zones are columnar are and with their complementary impurity in the manufacture in addition to a vertical diffusion in the construction of compensation columns also subject to horizontal diffusion, and thus the drift zones stronger constrict it as oppressive lateral diffusion possible is. By this to a certain extent uncontrolled narrowing of the Drift zones of a drift path will further reduce the On resistance of such a power semiconductor element hindered in the form of a so-called "CoolMOS".
Für den Leistungsschalter "CoolMOS" sowie für andere neuartige Konzepte von Leistungshalbleiterelementen besteht demnach das Problem einer unerwünschten Dotierstoffdiffusion, welche einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Leistungshalbleiterelemente entgegenwirkt, zumal das für die Kom pensationszonen eingesetzte Bor als Akzeptor nicht nur vertikal diffundiert, sondern auch lateral, so dass sich der n-leitende Strompfad im eingeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterelements verengt, was zu einem Anstieg des Einschaltwiderstands führt.For the circuit breaker "CoolMOS" as well as for others novel concepts of power semiconductor elements therefore exists the problem of an undesirable Dopant diffusion, which an improvement of the electrical Properties of the power semiconductor elements counteracts, especially the for the Kom pensationszonen used boron as an acceptor not only vertically diffused, but also lateral, so that the n-type current path narrows in the on state of the power semiconductor element, which leads to an increase of the on-resistance.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungshalbleiterelement mit Ladungskompensationsstruktur zu schaffen und Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, mit denen der Einschaltwiderstand derartiger Leistungshalbleiterelemente weiter als bisher vermindert werden kann.task The invention is a power semiconductor element with charge compensation structure and to provide methods of production with which the on-resistance of such power semiconductor elements on than previously can be reduced.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Is solved this task with the independent ones Claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent Claims.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungshalbleiterelement mit Ladungskompensationsstruktur angegeben, wobei das Leistungshalbleiterelement in einem monokristallinen Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen zwei Elektroden aufweist. Die Driftstrecke hat ihrerseits Driftzonen eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad zwischen den Elektroden in der Driftstrecke bereitstellen, und Ladungskompensationszonen eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps, die den Strompfad der Driftstrecke einengen. Die Zonen der Driftstrecke weisen diffusionshemmende Bereiche mit diffusionshemmenden Störstellen und/oder mit diffusionshemmenden Punktdefekten für einen der Leitungstypen auf, wobei die diffusionshemmenden Bereiche derart angeordnet sind, dass sie die Ladungskompensationszonen in ihrer lateralen Erstreckung begrenzen.According to the invention is a Power semiconductor element with charge compensation structure indicated, wherein the power semiconductor element in a monocrystalline semiconductor body Has drift path between two electrodes. The drift path in turn has drift zones of a first conductivity type which has a current path between the electrodes in the drift path, and charge compensation zones a type of line complementary to the first type of line, comprising the current path of the Narrow down the drift path. The zones of the drift path have diffusion-inhibiting Areas with diffusion-inhibiting impurities and / or with diffusion-inhibiting Point defects for one of the conductivity types, wherein the diffusion-inhibiting regions are arranged so that they the charge compensation zones in limit their lateral extent.
Ein derartiges Leistungshalbleiterelement hat den Vorteil, dass durch die diffusionshemmenden Bereiche eine laterale Ausdiffusion von Störstellen aus beispielsweise Ladungskompensationszonen in Bereiche der geplanten Driftzonen nahezu unterbunden wird, so dass schlankere Kompensationszonen realisierbar sind. Dieses wiederum hat den Vorteil, dass der Einschaltwiderstand weiter vermindert werden kann.One Such power semiconductor element has the advantage that by the diffusion-inhibiting regions cause lateral outdiffusion of Impurities out For example, charge compensation zones in areas of planned Drift zones is almost suppressed, so that slimmer compensation zones feasible are. This in turn has the advantage that the on-resistance can be further reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Driftzonen und die Ladungskompensationszonen vertikal angeordnet, so dass die Driftstrecke mit beliebig großem Querschnitt zur Vergrößerung der stromführenden Driftzonen hergestellt werden kann, was ebenfalls den Einschaltwiderstand vermindert.In a preferred embodiment The invention relates to the drift zones and the charge compensation zones arranged vertically so that the drift path with arbitrarily large cross-section to enlarge the live Drift zones can be produced, which also reduces the on-resistance.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Halbleiterkörper ein hochdotiertes Substrat des ersten oder des komplementären Leitungstyps aufweist, auf dem eine schwach bis mittel dotierte Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps mit der Driftstrecke angeordnet ist. Durch die hohe Dotierung des Substrats wird weiterhin der Durchlasswiderstand eines derartigen Leistungshalbleiterelements verringert. Lediglich die Epitaxieschicht, die für die Sperrspannungsfestigkeit eine vorgegebene Dicke aufweisen muss, ist mittel- bis schwachdotiert.Farther it is provided that the semiconductor body is a highly doped substrate the first or the complementary Has conductivity type on which a weak to medium doped Epitaxial layer of the first conductivity type arranged with the drift path is. Due to the high doping of the substrate continues to the on-resistance reduced such a power semiconductor element. Only the epitaxial layer that for the reverse voltage resistance must have a predetermined thickness, is medium to weakly doped.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterkörper auf dem hochdotierten Substrat eine nicht strukturierte, schwachdotierte Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf, die frei von Ladungskompensationszonen ist. Diese Sockelepitaxieschicht verbessert das Sperrverhalten eines derartigen Leistungshalbleiterelements.In a further preferred embodiment the invention, the semiconductor body on the highly doped Substrate a non-structured, weakly doped base epitaxial layer of the first conductivity type, which is free of charge compensation zones is. This base epitaxial layer improves the blocking behavior of a such power semiconductor element.
Je nachdem, ob eine Sockelepitaxieschicht für das Leistungshalbleiterelement vorgesehen ist oder nicht, erstrecken sich die Ladungskompensationszonen in ihrer Tiefe von einer Oberseite des Halbleiterkörpers bis zu einer Oberseite des Substrats bzw. bis zu einer Oberseite der nicht strukturierten Sockelepitaxieschicht. Die diffusionshemmenden Bereiche, die zwischen den Kompensationszonen im Bereich der Driftzonen angeordnet sind, weisen eine Dicke d im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 1 × 104 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm auf. Eine Dicke von 10 nm reicht bereits aus, die Ausdiffusion von Störstellen der Ladungskompensationszonen bei der Herstellung in die Driftzonen zu beeinträchtigen.Depending on whether or not a base epitaxial layer is provided for the power semiconductor element, the charge compensation zones extend in their depth from an upper side of the semiconductor body to an upper side of the substrate or up to a top of the unstructured base epitaxial layer. The diffusion-inhibiting regions, which are arranged between the compensation zones in the region of the drift zones, have a thickness d in the range of 10 nm ≦ d ≦ 1 × 10 4 nm, preferably in the range of 10 nm ≦ d ≦ 300 nm and in particular in the region of 10 nm ≤ d ≤ 150 nm. A thickness of 10 nm is already sufficient to impair the outdiffusion of impurities of the charge compensation zones during production in the drift zones.
Um wirksam eine Diffusion zu behindern bzw. zu hemmen, weisen die diffusionshemmenden Bereiche z. B. Germanium-, Kohlenstoff- und/oder Fluoratome als Störstellen auf Substitutionsgitterplätzen des monokristallinen Halbleiterkörpers auf. Insbesondere weisen die diffusionshemmenden Bereiche eine monokristalline Schicht mit der Zusammensetzung SixGey und/oder SixGeyCz auf, wobei x > y und x > z ist. Vorzugsweise haben die diffusionshemmenden Bereiche eine Zusammensetzung von etwa 0 ≤ y ≤ 0,40 und etwa 0 ≤ z ≤ 0,25.To effectively hinder or inhibit diffusion, the diffusion-inhibiting regions have z. B. germanium, carbon and / or fluorine atoms as impurities on substitution grid sites of the monocrystalline semiconductor body. In particular, the diffusion-inhibiting regions have a monocrystalline layer having the composition Si x Ge y and / or Si x Ge y C z , where x> y and x> z. Preferably, the diffusion-inhibiting regions have a composition of about 0 ≦ y ≦ 0.40 and about 0 ≦ z ≦ 0.25.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die diffusionshemmenden Bereiche eine erhöhte Konzentration an Gitterleerstellen in dem Halbleitermaterial als Punktdefekte auf. Derartige erhöhte Konzentrationen an Gitterleerstellen können z. B. durch Implantation von Protonen oder Argonionen erzeugt werden. Auch ist es möglich, verstärkt diffusionsfördernde Bereiche mittels interstitiell angeordneter Halbleiteratome als Punktdefekte vorzusehen. In terstitiell angeordnete Halbleiteratome stellen Punktdefekte dar, die das Siliziumgitter verzerren und damit die Diffusionskoeffizienten der Störstellenatome im Siliziumgitter beeinflussen.In a further preferred embodiment According to the invention, the diffusion-inhibiting regions have an increased concentration at lattice vacancies in the semiconductor material as point defects. Such increased Concentrations of lattice vacancies can, for. B. by implantation generated by protons or argon ions. It is also possible, more diffusion-promoting Regions by means of interstitially arranged semiconductor atoms as Provide point defects. In terstitiell arranged semiconductor atoms represent point defects that distort the silicon lattice and thus the diffusion coefficients of the impurity atoms in the silicon lattice influence.
Die diffusionshemmenden Bereiche können einerseits eine Diffusion von Akzeptorionen aus p-leitenden Zonen hemmen und andererseits die Diffusion von Donatorionen aus n-leitenden Zonen hemmen. Ob der eine Mechanismus oder der andere Mechanismus überwiegt, hängt einerseits von der Größe und der Beschaffenheit der Fremdatome ab, die eine Diffusionshemmung bewirken. Außerdem hängt es von der Art der Gitterverzerrung, die entweder durch Fremdatome und/oder durch Punktdefekte ausgelöst werden kann, ab. In jedem Fall ist es möglich, diffusionshemmende und/oder diffusionsfördernde Bereiche z. B. durch Ionenimplantation und zwar vorzugsweise in Verbindung mit nachfolgenden Hochtemperaturschritten oder durch epitaktisches Wachstum zu schaffen, die eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften von Leistungshalbleiterelementen ermöglichen.The diffusion-inhibiting areas can on the one hand inhibit diffusion of acceptor ions from p-type regions and on the other hand, the diffusion of donor ions from n-type zones inhibit. Whether one mechanism or the other mechanism outweighs depends on the one hand of the size and the Condition of the foreign atoms, which cause a diffusion inhibition. Furthermore it depends on the type of lattice distortion, either by foreign atoms and / or can be triggered by point defects. In each Case it is possible diffusion-inhibiting and / or diffusion-promoting areas z. B. by Ion implantation, preferably in conjunction with subsequent high-temperature steps or through epitaxial growth to create an improvement the electrical properties of power semiconductor elements enable.
Im Prozess des heute produzierten "CoolMOS" werden zunächst einzelne p-leitende Inseln, auch "p-Bubbles" genannt, zwischen Epitaxieschichten erzeugt, die in nachfolgenden Diffusionsprozessen in vertikaler Richtung diffundieren, um daraus entsprechende p-leitende Säulen als Ladungskompensationszonen zu erzeugen. Bei derartigen Prozessen kann der Nachteil, dass das Bor, welches als Akzeptor im Siliziumgitter eingebaut wird, nicht nur vertikal diffundiert, sondern auch lateral, dadurch verhindert werden, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die diffusionshemmenden Bereiche lateral bzw. orthogonal zum Strompfad in den Driftzonen angeordnet werden. Das hat den Vorteil, dass eine Verbesserung des Einschaltwiderstands gegenüber heutigen Technologien durch schmalere und schlankere p-leitende Zonen möglich wird. Eine Skalierbarkeit der Leistungshalbleiterelemente ist ferner in vorteilhafter Weise mit dem vorhandenen Equipment gegeben. Außerdem ergeben sich Kostenvorteile bezüglich der heutigen Technologien.in the Process of "CoolMOS" produced today will be individual first p-type islands, also called "p-bubbles", between Epitaxial layers generated in subsequent diffusion processes diffuse in the vertical direction to corresponding p-type columns as charge compensation zones. In such processes may have the disadvantage that the boron, which acts as an acceptor in the silicon lattice is incorporated, not only diffused vertically, but also laterally, be prevented by that in a preferred embodiment invention, the diffusion-inhibiting regions laterally or orthogonally be arranged to the current path in the drift zones. This has the advantage that an improvement of the on-resistance to today's technologies narrower and slimmer p-type zones is possible. A scalability the power semiconductor elements is also advantageously given with the existing equipment. In addition, there are cost advantages in terms of of today's technologies.
Eine derartige Ausführungsform der Erfindung weist Ladungskompensationszonen in Epitaxieschichten auf, die aus schichtweise strukturierten und eingebrachten, insbesondere implantierten und diffundierten Säulen des komplementären Leitungstyps bestehen. Diese Ladungskompensationszonen sind von Driftzonen umgeben, in denen epitaxieschichtweise Fremdstoffatome oder Punktdefekte angeordnet sind. Diese bilden eine diffusionshemmende laterale Schicht in den Diffusionszonen und behindern eine laterale Ausbreitung der Ladungskompensationszonen in den Epitaxieschichten und damit eine Verbreiterung der Säulen der Ladungskompensationszonen.A such embodiment The invention has charge compensation zones in epitaxial layers made up of layered structured and incorporated, in particular implanted and diffused columns of the complementary conductivity type consist. These charge compensation zones are surrounded by drift zones, in which epitaxial layerwise impurity atoms or point defects are arranged are. These form a diffusion-inhibiting lateral layer in the Diffusion zones and hinder a lateral spread of the charge compensation zones in the epitaxial layers and thus a broadening of the columns of the Charge compensation zones.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können in den sich vertikal erstreckenden Driftzonen hochdotierte und schwachdotierte horizontale Bereiche aufeinander abwechselnd gestapelt sein, wobei die hochdotierten Bereiche in gleicher vertikaler Lage angeordnet sind wie hochdotierte Bereiche in benachbarten Ladungskompensationszonen. Dieses wird durch Abscheidung von undotierten Epitaxieschichten erreicht, in welche die n-Dotierung durch eine nachfolgende Implantation eingebracht wird. Die p- und die n-Implantation liegen somit auf gleicher Höhe in den jeweiligen Epitaxieschichten, was zwar nicht zu einer geringeren Ausdiffusion des p-Dotierstoffs führt, jedoch dringt der pn-Übergang aufgrund des höheren n-Dotierstoffniveaus in gleicher Höhe wie des höheren p-Dotierstoffniveaus weniger weit in das n-lei tende Gebiet der Driftzone ein. Das bedeutet, dass die p-leitende Säule der Ladungskompensationszonen schlanker bleibt als bei Verwendung von homogen dotierten n-leitenden Epitaxieschichten.In a further preferred embodiment of the invention in the vertically extending drift zones highly doped and weakly doped horizontal areas are stacked on each other alternately, taking the highly doped areas arranged in the same vertical position are like heavily doped areas in adjacent charge compensation zones. This is done by deposition of undoped epitaxial layers reached, in which the n-doping by a subsequent implantation is introduced. The p- and the n-implantation are thus on same height in the respective epitaxial layers, which does not lead to a lower outdiffusion of the p-type dopant leads, however, the pn junction penetrates because of the higher n-dopant levels at the same level as the higher p-type dopant level less far into the n-conducting area of the drift zone. That means, that the p-type pillar of the Charge compensation zones remains slimmer than when using homogeneously doped n-type epitaxial layers.
Eine weitere Verbesserung der "CoolMOS"-Struktur ist dadurch zu erreichen, dass ein Leistungshalbleiterelement geschaffen wird, bei dem die diffusionshemmenden Bereiche vertikal und damit parallel zur Strompfadrichtung eingebracht werden, indem Wände einer Grabenstruktur mit entsprechenden diffusionshemmenden Bereichen belegt werden. Dabei kann in vorteilhafter Weise auf die Grabenwände eine diffusionshemmende monokristalline Epitaxieschicht von einer Dicke d im Bereich zwischen 10 nm ≤ d ≤ 1 × 103 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm aus germaniumhaltigem Silizium aufgewachsen werden. Das germaniumhaltige Silizium weist insbesondere eine Zusammensetzung SixGey mit x > y und x ≤ 0,90 sowie y ≤ 0,40 auf.A further improvement of the "CoolMOS" structure can be achieved in that a power semiconductor element is provided in which the diffusion-inhibiting areas are vertical and there be introduced parallel to the current path direction by walls of a trench structure are covered with corresponding diffusion-inhibiting areas. In this case, advantageously, a diffusion-inhibiting monocrystalline epitaxial layer with a thickness d in the range between 10 nm ≦ d ≦ 1 × 10 3 nm, preferably in the range of 10 nm ≦ d ≦ 300 nm and in particular in the range of 10 nm ≦ d may be applied to the trench walls ≤ 150 nm grown from germanium-containing silicon. In particular, the germanium-containing silicon has a composition Si x Ge y with x> y and x ≦ 0.90 and y ≦ 0.40.
Dazu können die Driftzonen monokristallin auf einem hochdotierten monokristallinen Substrat in einer Grabenstruktur gewachsenes Halbleitermaterial aufweisen oder die Ladungskompensationszonen können monokristallin auf dem hochdotierten monokristallinen Substrat in einer Grabenstruktur gewachsenes Halbleitermaterial aufweisen. In beiden Fällen würden die mit einer germaniumhaltigen Siliziumepitaxieschicht belegten Grabenwände die Diffusion von Störstellen aus den Kompensationszonen in die Diffusionszonen und damit eine laterale Ausbreitung der Kompensationszonen behindern. Werden nicht nur die Grabenwände mit einer entsprechenden germaniumhaltigen Siliziumschicht belegt, sondern auch der Grabenboden, so ergeben sich diffusionshemmende Bereiche, die im Querschnitt eine U-Form aufweisen.To can the drift zones monocrystalline on a highly doped monocrystalline Substrate grown in a trench structure semiconductor material or the charge compensation zones may be monocrystalline on the highly doped monocrystalline substrate in a trench structure Have grown semiconductor material. In both cases, the with a germanium containing silicon epitaxial layer occupied trench walls the Diffusion of impurities from the compensation zones into the diffusion zones and thus one hinder lateral spread of the compensation zones. Will not only the moat walls coated with a corresponding germanium-containing silicon layer, but also the trench bottom, this results in diffusion-inhibiting Areas that have a U-shape in cross section.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Driftzonen in der Grabenstruktur mehrere im Querschnitt U-förmige diffusionshemmende Bereiche auf, die ineinander gestapelt sind, wobei zwischen den diffusionshemmenden Bereichen monokristallines Material des ersten Leitungstyps angeordnet ist. Mit dieser Konstruktion kann sowohl das Avalanche-Verhalten als auch das Latch-up-Verhalten der Leistungshalbleiterelemente verbessert werden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, dass mehrere diffusionshemmende Bereiche vertikal und parallel zum Strompfad in den Driftzonen angeordnet sind, zwischen denen jeweils Streifen von monokristallinem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps vorgesehen werden.In a further preferred embodiment According to the invention, the drift zones in the trench structure have several in cross-section U-shaped diffusion-inhibiting regions which are stacked in one another, wherein between the diffusion-inhibiting regions monocrystalline Material of the first conductivity type is arranged. With this construction can both the avalanche behavior and the latch-up behavior of the Power semiconductor elements are improved. Finally exists also the possibility that several diffusion - inhibiting areas vertically and parallel to the Rung paths are arranged in the drift zones, between each of which strips of monocrystalline semiconductor material of the first conductivity type be provided.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Driftzone aus mehreren abwechselnd angeordneten Bereichen aus Silizium des ersten Leitungstyps und diffusionshemmenden Bereichen.In a further preferred embodiment According to the invention, the drift zone consists of several alternately arranged ones Regions of silicon of the first conductivity type and diffusion-inhibiting Areas.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ladungskompensationszonen und die Driftzonen streifenförmig nebeneinander zwischen den Elektroden angeordnet, wobei jeweils eine streifenförmige Driftzone von zwei streifenförmigen Ladungskompensationszonen in Strompfadrichtung in ihrer Breite quer zum Strompfad begrenzt sind. Dieses streifenförmige Muster mit dazwischen angeordneten diffusionshemmenden Bereichen hat den Vorteil, dass auf eine konventionelle Säulenform der Kompensationszonen vollständig verzichtet werden kann.In a further preferred embodiment The invention relates to charge compensation zones and drift zones in strips arranged side by side between the electrodes, wherein in each case a strip-shaped Drift zone of two strip-shaped Charge compensation zones in the direction of the current path across their width are limited to the current path. This striped pattern with in between arranged diffusion-inhibiting areas has the advantage that on a conventional pillar shape the compensation zones completely omitted can be.
Ein Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterelementen mit horizontal angeordneten diffusionshemmenden Bereichen in mehreren Epitaxieschichten auf einem hochdotierten Substrat weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein hochdotierter Halbleiterwafer eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Leistungshalbleiterbauteilpositionen als Substrat eines Halbleiterkörpers bereitgestellt.One Method for producing power semiconductor elements with horizontal arranged diffusion-inhibiting areas in multiple epitaxial layers on a highly doped substrate has the following process steps on. First, will a heavily doped semiconductor wafer of a first or a complementary conductivity type with a plurality of power semiconductor device locations arranged in rows and columns as a substrate of a semiconductor body provided.
Auf diesem Substrat bzw. Halbleiterwafer wird eine Epitaxieschicht monokristallin aufgewachsen, welche die Dotierung der Driftzonen aufweist. Danach wird eine diffusionshemmende Schicht hergestellt, indem diffusionshemmende Fremdatome und/oder Punktdefekte, wie Gitterleerstellen in die Epitaxieschicht, vorzugsweise durch Ionenimplantation von Fremdatomen wie z. B. Protonen oder Argonionen eingebracht werden. Auf dieser Epitaxieschicht mit diffusionshemmender Schicht wird eine fotolithographische Schicht unter Freilassen von Flächen für Ladungskompensationszonen aufgebracht. Die diffusionshemmende Schicht wird im Bereich der freigelassenen Flächen vorzugsweise durch Ätzen oder Laserabtrag entfernt. Anschließend werden Störstellen des komplementären Leitungstyps in die Epitaxieschicht im Bereich der freigelassenen Flächen eingebracht. Auch dafür wird vorzugsweise die Ionenimplantation eingesetzt.On In this substrate or semiconductor wafer, an epitaxial layer becomes monocrystalline grown up, which has the doping of the drift zones. After that a diffusion-inhibiting layer is produced by diffusion-inhibiting Impurities and / or point defects, such as vacancies in the epitaxial layer, preferably by ion implantation of foreign atoms such. B. protons or argon ions are introduced. On this epitaxial layer with diffusion-inhibiting layer becomes a photolithographic layer under release of surfaces for charge compensation zones applied. The diffusion-inhibiting layer is in the range of released surfaces preferably by etching or laser ablation removed. Subsequently, impurities are of the complementary Type of conductivity in the epitaxial layer in the area of the released surfaces brought in. Also for that Preferably, the ion implantation is used.
Danach kann die fotolithographische Schicht entfernt werden, was vorzugsweise durch Ablösen der fotolithographischen Schicht oder durch Veraschen der fotolithographischen Schicht durchgeführt wird. Diese Schritte werden nun mehrfach wiederholt, bis ein für die Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiterbauelements ausreichende Dicke einer vertikalen Drift strecke erreicht ist. Danach wird der Halbleiterwafer auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt, wobei sich säulenförmige, durch diffusionshemmende Bereiche lateral begrenzte Ladungskompensationszonen in der aus Epitaxieschichten aufgebauten Driftstrecke in den Leistungs-Halbleiterbauteilpositionen des Halbleiterwafers ausbilden.After that For example, the photolithographic layer can be removed, which is preferable by detaching the photolithographic layer or by ashing the photolithographic Layer is performed. These steps are now repeated several times until one for the dielectric strength the power semiconductor device sufficient thickness of a vertical Drift distance is reached. Thereafter, the semiconductor wafer is placed on a Diffusion temperature heated, being columnar, by diffusion-inhibiting Areas laterally limited charge compensation zones in the out Epitaxial layers constructed drift path in the power semiconductor device positions of the semiconductor wafer.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es Leistungshalbleiterelemente liefert, bei denen der Einschaltwiderstand weiter reduziert ist. Außerdem hat das Verfahren den Vorteil, dass eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterelementen parallel auf einem Halbleiterwafer in entsprechenden Leistungshalbleiterelementpositionen hergestellt werden kann. Bei diesem Verfahren ist jedoch Voraussetzung, dass die Epitaxieschicht bereits die mittelhohe Dotierung der Driftzonen aufweist.This method has the advantage that it provides power semiconductor elements in which the on-resistance is further reduced. In addition, the method has the advantage that a plurality of power semiconductor elements can be produced in parallel on a semiconductor wafer in corresponding power semiconductor element positions. at However, this method requires that the epitaxial layer already has the medium-high doping of the drift zones.
Wird jedoch mit undotiertem Aufwachsen von Epitaxieschichten gearbeitet, so ergibt sich ein von diesem Verfahren etwas differenziertes Durchführungsbeispiel. Dabei wird zunächst wieder ein Halbleiterwafer als Substrat mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterelementpositionen zur Verfügung gestellt. Auf diesem Halbleiterwafer wird eine monokristalline Epitaxieschicht aufgewachsen. In diesem Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird dabei kein Dotierstoff zugegeben. Die erste Epitaxieschicht (Sockelepitaxie) kann auch als niedrigdotierte Schicht des ersten Leitungstyps ausgeführt werden. In diese Epitaxieschicht werden anschließend vorzugsweise durch Ionenimplantation diffusionshemmende Fremdatome und/oder Punktdefekte, wie Gitterleerstellen mittels Protonenimplantation oder Argonimplantation eingebracht. Danach wird auf die Epitaxieschicht eine fotolithographische Schicht unter Freilassen von Flächen für Ladungskompensationszonen aufgebracht und strukturiert.Becomes but worked with undoped growth of epitaxial layers, this results in a somewhat differentiated implementation example from this method. It will be first again a semiconductor wafer as a substrate with a variety of in lines and columns of arranged power semiconductor element positions for disposal posed. On this semiconductor wafer becomes a monocrystalline epitaxial layer grew up. In this implementation example The method is thereby added no dopant. The first Epitaxial layer (pedestal epitaxy) may also be considered low-doped layer of the first conductivity type become. In this epitaxial layer are then preferably by ion implantation Diffusion-inhibiting impurities and / or point defects, such as vacancy introduced by proton implantation or argon implantation. Thereafter, a photolithographic layer is applied to the epitaxial layer leaving open areas for charge compensation zones applied and structured.
In den freigelassenen Flächen wird die Schicht mit diffusionshemmenden Fremdatomen und/oder Punktdefekten entfernt und danach werden Störstellen des komplementären Leitungstyps in die Epitaxieschicht im Bereich der freigelegten Flächen eingebracht. Nun kann die fotolithographische Schicht entfernt werden und auf dem gesamten Halbleiterwafer werden nun Störstellen zur Driftzonendotierung der Epitaxieschichten ohne Dotierstoffzugabe durch Ionenimplantation eingebracht. Die Driftzonendotierung kann auch bereits vor dem Aufbringen der fotolithographischen Schicht oder bereits vor dem Aufbringen der diffusionshemmenden Fremdatome und/oder Punktdefekte erzeugt werden. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine für die Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiterelements ausreichende Dicke D einer vertikalen Driftstrecke erreicht ist. Nun kann, wie in der ersten Variante des Verfahrens, der Halbleiterwafer auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt werden, um eine säulenförmige, durch diffusionshemmende Bereiche lateral begrenzte Ladungskompensationszone in der aus Epitaxieschichten aufgebauten Driftstrecke auszubilden, wobei gleichzeitig das Dotieren der Driftzonen in den Leistungshalbleiterbauelementpositionen des Halbleiterwafers erfolgt. In diesem differenzierten Durchführungsbeispiel darf der diffusionshemmende Effekt hauptsächlich auf den Dotierstoff der Ladungskompensationszonen wirken, während der Dotierstoff der Driftzone in seiner vertikalen Ausdiffusion relativ geringfügig gestört werden darf.In the released areas becomes the layer with diffusion-inhibiting impurities and / or point defects removed and then become impurities of the complementary Conduction type in the epitaxial layer in the area of exposed Introduced surfaces. Now the photolithographic layer can be removed and opened The entire semiconductor wafer will now be impurities for drift zone doping the epitaxial layers without dopant addition by ion implantation brought in. Drift zone doping can also be done before application the photolithographic layer or even before application the diffusion-inhibiting impurities and / or point defects produced become. These steps are repeated until one for the dielectric strength of the power semiconductor element sufficient thickness D of a vertical Drift distance is reached. Well, as in the first variant of the process, the semiconductor wafer to a diffusion temperature be heated to a columnar, through diffusion-inhibiting areas laterally limited charge compensation zone in the drift path built up from epitaxial layers, wherein simultaneously doping the drift zones in the power semiconductor device positions of the semiconductor wafer takes place. In this differentiated implementation example the diffusion-inhibiting effect may mainly affect the dopant the charge compensation zones act while the dopant of the drift zone in its vertical outdiffusion may be disturbed relatively slightly.
Sind derartige Halbleiterwafer hergestellt, so werden mit den folgenden zusätzlichen Schritten aus den Halbleiterwafern einzelne Leistungshalbleiterelemente hergestellt, indem nun Oberflächenseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterwafer zur Fertigstellung der Leis tungshalbleiterelemente in den Leistungshalbleiterelementpositionen des Halbleiterwafers verwirklicht werden, und anschließend der Halbleiterwafer in mehrere Leistungshalbleiterelemente aufgetrennt wird.are such semiconductor wafers are made, with the following additional Steps from the semiconductor wafers individual power semiconductor elements made by now surface side structures and backside structures in and / or on the semiconductor wafer for completion of the power semiconductor elements in the power semiconductor element positions of the semiconductor wafer be realized, and then the semiconductor wafer in several Power semiconductor elements is separated.
Die zweite Variante dieses Verfahrens unterstützt die Begrenzung der Ladungskompensationszonen gegenüber den Driftzonen durch das Herstellen von hochdotierten Bereichen sowohl in den Ladungskompensationszonen als auch in den benachbarten Driftzonen auf gleichen Epitaxieschichthöhen, so dass die Wirkung der diffusionshemmenden Schichten durch diese Maßnahme weiter gestützt wird.The The second variant of this method supports the limitation of the charge compensation zones across from the drift zones by producing highly doped areas both in the charge compensation zones and in the adjacent ones Drift zones on the same epitaxial layer heights, so that the effect of diffusion-inhibiting layers is further supported by this measure.
Ist für ein Leistungshalbleiterelement eine Sockelepitaxieschicht vorgesehen, so kann diese vor dem Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf dem Halbleiterwafer durch Aufwachsen einer schwachdotierten Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps hergestellt werden. Bei der Herstellung einer diffusionshemmenden Schicht werden als diffusionshemmende Fremdatome vorzugsweise Germaniumionen und/oder Kohlenstoffionen und/oder Fluorionen mittels Ionenimplantation in sämtliche oder einzelne Epitaxieschichten eingebracht. Die Wirkung der diffusionshemmenden Schicht kann dadurch verstärkt werden, dass die diffusionshemmenden Fremdatome mittels einer mehrstufigen Ionenimplantation mit unterschiedlicher Ionenimplantationsenergie in die einzelnen Epitaxieschichten eingebracht werden. Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die diffusionshemmenden Fremdatome einen geringen Diffusionskoeffizienten aufweisen.is for a Power semiconductor element provided a base epitaxial layer, so this may be before the growth of a middle-doped epitaxial layer of the first conductivity type on the semiconductor wafer by growth a lightly doped pedestal epitaxial layer of the first conductivity type getting produced. In the production of a diffusion-inhibiting Layer are as diffusion-inhibiting foreign atoms, preferably germanium ions and / or Carbon ions and / or fluorine ions by ion implantation in all or introduced individual epitaxial layers. The effect of diffusion-inhibiting Layer can be reinforced be that the diffusion-inhibiting impurities by means of a multi-stage Ion implantation with different ion implantation energy be introduced into the individual epitaxial layers. This is especially advantageous if the diffusion-inhibiting impurities have a low diffusion coefficient.
Vorzugsweise wird zum Einbringen von diffusionshemmenden Punktdefekten, wie Gitterleerstellen, eine Implantation mit Argonionen und/oder mit Protonen durchgeführt.Preferably is used for introducing diffusion-inhibiting point defects, such as lattice vacancies, an implantation with argon ions and / or carried out with protons.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Leistungshalbleiterelementen geschaffen, bei dem vertikale diffusionshemmende Bereiche zwischen den Driftzonen und den Ladungskompensationszonen bereitgestellt werden. Dazu weist das Verfahren die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird wieder ein hochdotierter Halbleiterwafer eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterbauelementpositionen als Substrat eines Halbleiterkörpers bereitgestellt.In Another aspect of the invention is a method of manufacture of power semiconductor elements, in which vertical diffusion-inhibiting Areas between the drift zones and the charge compensation zones to be provided. For this purpose, the method has the following Procedural steps on. First is again a heavily doped semiconductor wafer of a first or a complementary one Line type with a large number of rows and columns Power semiconductor device positions provided as a substrate of a semiconductor body.
Danach wird eine Epitaxieschicht, deren Dicke D der geforderten Spannungsfestigkeit der Driftstrecke entspricht, auf dem Halbleiterwafer mit einem ersten oder einem komplementären Leitungstyp als Ausgangsmaterial für die Driftstrecke aufgebracht. Danach wird eine Grabenstruktur mit nahezu vertikalen Grabenwänden und einem Grabenboden in die Epitaxieschicht in den jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementpositionen eingebracht. Danach wird ein diffusionshemmender Bereich aus einer germaniumhaltigen monokristallinen Siliziumschicht auf dem Halbleiterwafer abgeschieden, die auch dotiert, insbesondere vom ersten Leitungstyp, sein kann.Thereafter, an epitaxial layer whose Di corresponds to the required dielectric strength of the drift path, applied to the semiconductor wafer with a first or a complementary conductivity type as the starting material for the drift path. Thereafter, a trench structure having nearly vertical trench walls and a trench bottom is introduced into the epitaxial layer in the respective power semiconductor device positions. Thereafter, a diffusion-inhibiting region of a germanium-containing monocrystalline silicon layer is deposited on the semiconductor wafer, which can also be doped, in particular of the first conductivity type.
Damit entstehen sowohl auf den Mesen als auch auf den Grabenwänden sowie auf dem Grabenboden der Grabenstruktur entsprechende diffusionshemmende Bereiche. Danach wird durch anisotropes Freiätzen der Grabenboden der Grabenstruktur und die Oberseiten der Mesen aus Epitaxiematerial von der germaniumhaltigen Siliziumschicht befreit. Zum anisotropen Freiätzen des Bodenbereichs der Grabenstruktur und/oder der Oberseite von Mesen wird ein Trockenätzverfahren, wie es auch für das Einbringen der Grabenstruktur gemäß den obigen Ausführungen eingesetzt wird, verwendet. Nun kann ein Aufwachsen einer komplementär zu den Mesen dotierten Epitaxieschicht unter Auffüllen der Grabenstruktur erfolgen. Dabei ergibt sich ein vertikaler diffusionshemmender Bereich an den Grabenwänden, welcher eine Diffusion derart behindert, dass die Dimensionen der geplanten Kompensationszonen sich kaum verändern. Durch das Auffüllen der Grabenstruktur mit einer dotierten Epitaxieschicht wird die Oberseite des Halbleiterwafers äußerst uneben, da auch auf den Mesen eine derartige Epitaxieschicht abgeschieden wird.In order to arise both on the mesen as well as on the moat walls as well on the trench bottom of the trench structure corresponding diffusion-inhibiting Areas. Thereafter, by anisotropic free etching of the trench bottom of the trench structure and the tops of the mesen from epitaxial material of the germanium-containing Silicon layer freed. For anisotropic free etching of the bottom area of the Trench structure and / or top of mesen becomes a dry etching process, as well as for the introduction of the trench structure used in accordance with the above is used. Now, one can grow up to be complementary to the one Mesen doped epitaxial layer done filling the trench structure. This results in a vertical diffusion-inhibiting area the trench walls, which Diffusion hindered so that the dimensions of the planned Compensation zones hardly change. By filling up the trench structure with a doped epitaxial layer becomes the top the semiconductor wafer is extremely uneven, as deposited on the mesen such epitaxial layer becomes.
Deshalb erfolgt vorzugsweise ein Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers bis zu der Driftstrecke aus Drift- und Ladungskompensationszonen zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite und ebener Rückseite. Nun kann dieser Halbleiterkörper durch Herstellen von Oberseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung der Leistungshalbleiterelemente in den Leistungshalbleiterbauelementpositionen des Halbleiterwafers fertiggestellt werden. Schließlich wird der Halbleiterwafer in einzelne Leistungshalbleiterbauelemente aufgetrennt.Therefore Preferably, a leveling of the top of the semiconductor wafer up to the drift distance from drift and charge compensation zones a semiconductor body with leveled top and flat back. Now this semiconductor body can go through Producing top structures and back structures in and / or on the semiconductor body for completing the power semiconductor elements in the power semiconductor device positions of the semiconductor wafer to be completed. Finally will the semiconductor wafer separated into individual power semiconductor components.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass keine Vielzahl von Epitaxieschichten aufeinander zu strukturieren sind, was einen erheblichen mehrfachen fotolithographischen Aufwand bedeutet, der hier durch die Grabenstruktur vermieden wird. Anstelle einer monokristallinen Abscheidung von diffusionshemmenden Bereichen aus germaniumhaltigem Silizium auf den Grabenwänden, können diffusionshemmende Bereiche auch durch Einbringen, vorzugsweise durch Ionenimplantation von Germanium, Kohlenstoff oder Fluor in die Grabenwände erreicht werden. Auch bei diesem Verfahren kann vor dem Aufwachsen einer Epitaxie schicht auf dem Halbleiterwafer eine schwachdotierte Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps hergestellt werden.This Method has the advantage that no variety of epitaxial layers to structure each other, which is a considerable multiple Photolithographic effort means here through the trench structure is avoided. Instead of a monocrystalline deposition of diffusion-inhibiting areas of germanium-containing silicon the trench walls, can diffusion-inhibiting areas by introduction, preferably by Ion implantation of germanium, carbon or fluorine reached into the trench walls become. Also in this method, before growing up a Epitaxy layers a lightly doped pedestal epitaxial layer on the semiconductor wafer of the first conductivity type.
Das beschriebene Verfahren lässt sich darüber hinaus auch auf die Variante einer mehrstufigen Epitaxie anwenden, sodass der Prozessblock bestehend als Epitaxie, Mesaätzung, Einbringen diffusionshemmender Schicht, epitaktisches Auffüllen, Rückätzen mehrfach hintereinander durchgeführt wird.The described method leaves about it also apply to the variant of a multi-step epitaxy, so that the process block consisting of epitaxy, mesa etching, insertion diffusion-inhibiting layer, epitaxial filling, re-etching multiple times in succession is carried out.
In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf den Halbleiterwafer bzw. auf die Sockelepitaxie eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur epitaxial aufgebracht, die einen Ätzstopp ermöglicht und vorzugsweise SixGey mit x > y oder SixGeyCz mit x > y und x > z aufweist. Dieses hat den Vorteil, dass bei einer nachfolgenden Ätzung der Grabenstruktur diese Schichten als Ätzstoppschichten wirken. Dabei ist vorzugsweise die Zusammensetzung dieser Hilfsschicht mit 0,86 ≤ x ≤ 1, y ≤ 0,40 und z ≤ 0,25 vorgesehen.In a preferred implementation of the method, prior to the growth of an epitaxial layer of the first conductivity type on the semiconductor wafer or on the pedestal epitaxy, a structured auxiliary layer is applied epitaxially in regions of the trench structure to be etched, which enables an etch stop and preferably Si x Ge y with x> y or Si x Ge y C z with x> y and x> z. This has the advantage that during a subsequent etching of the trench structure, these layers act as etching stop layers. In this case, the composition of this auxiliary layer is preferably provided as 0.86 ≦ x ≦ 1, y ≦ 0.40 and z ≦ 0.25.
In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird als Ätzstopp eine Hilfsschicht aus Halbleiteroxid oder Halbleiternitrid vorgesehen, wobei die Struktur der Hilfsschicht in den Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur in einer derartigen Feinstruktur aufgebracht wird, dass ein laterales monokristallines Überwachsen der Feinstruktur innerhalb des Grabens ermöglicht wird. Derartige Ätzstoppschichten haben sich in der Halbleitertechnologie bewährt und werden hier eingesetzt, um definiert das Ätzen der Grabenstruktur zu beenden.In a further embodiment of the Process is called etch stop an auxiliary layer of semiconductor oxide or semiconductor nitride provided, wherein the structure of the auxiliary layer in the areas to be etched Trench structure is applied in such a fine structure, that a lateral monocrystalline overgrowth of the fine structure within the trench becomes. Such etch stop layers have proven themselves in semiconductor technology and are used here, to define the etching to end the trench structure.
Um eine Grabenstruktur, die sich aus Streifen zusammensetzt, in die Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps einzubringen, wird eine Ätzmaske auf den Halbleiterwafer mit streifenförmigem Muster im Bereich der Driftstrecke in den jeweiligen Leistungshalbleiterbauelementpositionen fotolithographisch aufgebracht. Das Einbringen der Grabenstruktur kann sowohl durch anisotropes als auch durch isotropes Ätzen der Grabenstruktur erfolgen. Zum Einbringen einer Grabenstruktur mittels eines anisotropen Ätzens wird ein reaktives Ionenätzen durchgeführt oder eine gerichtete Plasmaätzung vorgesehen. Dabei ist eine Endpunktdetektion durch Vorsehen von einer Ätzstoppschicht, wie oben beschrieben, von Vorteil.Around a trench structure composed of strips into which To introduce epitaxial layer of the first conductivity type, an etch mask on the semiconductor wafer with a striped pattern in the area of Drift path in the respective power semiconductor component positions applied by photolithography. The introduction of the trench structure can by both anisotropic and isotropic etching of the Trench structure done. For introducing a trench structure by means of an anisotropic etching becomes a reactive ion etching performed or a directed plasma etch intended. In this case, an end point detection by providing an etch stop layer, as described above, an advantage.
Nach dem Einbringen der Grabenstruktur und vor dem Aufbringen eines diffusionshemmenden Bereichs werden die Oberflächen der Grabenwände chemisch gereinigt oder es wird die Oberfläche des Halbleiterwafers und damit auch die Grabenwände oxidiert und anschließend die Oxidschicht nasschemisch, vorzugsweise mit verdünnter oder mit gepufferter Flusssäure weggeätzt, so dass eine für das epitaktische Wachstum vorbereitete Oberfläche in den Grabenstrukturen zur Verfügung steht.After the introduction of the trench structure and before the application of a diffusion-inhibiting area, the surfaces of the trench walls are chemically cleaned or the surface of the trench walls becomes dry Semiconductor wafer and thus also the trench walls oxidized and then wet-chemically etched the oxide layer, preferably with dilute or with buffered hydrofluoric acid, so that a prepared for the epitaxial growth surface is available in the trench structures.
Eine andere Möglichkeit, die Grabenwände für eine Epitaxieschicht vorzubereiten, besteht darin alternativ oder zusätzlich, einen Wasserstofftemperschritt vorzusehen, wobei die Oberfläche von Sauerstoffpartikeln oder -atomen reduziert wird. Ist die Grabenstruktur entsprechend vorbereitet, so kann ein diffusionshemmender Bereich aus einer monokristallinen Schicht aus germaniumhaltigem Silizium mit einer Dicke d in Nanometern im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 1 × 103 nm, vorzugsweise im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 300 nm und insbesondere im Bereich von 10 nm ≤ d ≤ 150 nm aufwachsen.Another way to prepare the trench walls for an epitaxial layer is, alternatively or additionally, to provide a hydrogen tempering step wherein the surface area of oxygen particles or atoms is reduced. If the trench structure is prepared accordingly, a diffusion-inhibiting region of a monocrystalline layer of germanium-containing silicon with a thickness d in nanometers in the range of 10 nm ≦ d ≦ 1 × 10 3 nm, preferably in the range of 10 nm ≦ d ≦ 300 nm and especially in the range of 10 nm ≤ d ≤ 150 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein diffusionshemmender Bereich auch auf dem Grabenboden beibehalten. Damit ergibt sich ein im Querschnitt U-förmiger diffusionshemmender Bereich in der Grabenstruktur.In a further preferred embodiment The invention also provides a diffusion-inhibiting area on the Maintain trench bottom. This results in a cross-sectionally U-shaped diffusion-inhibiting Area in the trench structure.
In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden auf den Grabenwänden mehrere monokristalline Schichten aus germaniumhaltigem Silizium für diffusionshemmende Bereiche im Wechsel mit dotiertem Silizium vertikal ausgerichtet als Diffusionszonen hergestellt. Damit ergibt sich im Querschnitt eine streifenförmige Struktur, bei der sowohl die diffusionshemmenden Bereiche als auch die Bereiche mit Driftzonendotierung zur Stromführung beitragen.In a further embodiment of the Process become on the trench walls several monocrystalline Layers of germanium-containing silicon for diffusion-inhibiting areas alternately vertically aligned with doped silicon as diffusion zones produced. This results in a cross-section of a strip-shaped structure, in both the diffusion-inhibiting areas and the areas Contribute with drift zone doping to conduct electricity.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass auf den Grabenwänden und auf dem Grabenboden mehrere monokristalline Schichten aus germaniumhaltigem Silizium für diffusionshemmende Bereiche im Wechsel mit dotiertem Silizium ineinander gestapelt als Driftzonen hergestellt werden. Daraus ergibt sich eine Stapelung von U-förmigen diffusionshemmenden Bereichen innerhalb der Grabenstruktur, was die bereits oben erwähnten Vorteile mit sich bringt.Farther it is envisaged that on the moat walls and on the trench bottom several monocrystalline layers of germanium-containing silicon for diffusion-inhibiting Areas alternately stacked with doped silicon be prepared as drift zones. This results in a stacking of U-shaped diffusion-inhibiting areas within the trench structure, what those already mentioned above Benefits.
Ein Problem bei der Technik der Grabenstrukturen, die Driftstrecke zu strukturieren, bildet die Forderung, die nach dem Auffüllen der Grabenstruktur relativ unebene Oberseite des Halbleiterwafers einzuebnen. Dieses wird vorzugsweise durch ein chemical mechanical polishing-Verfahren (CMP) erreicht. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass zum Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite und mit einer ebenen Rückseite zunächst eine nivellierende Fotolackschicht oder eine Spin-on-Glas-Schicht auf die unebene Oberseite aufgebracht wird.One Problem with the technique of trench structures, the drift distance too structure, forms the requirement, which after filling up the Trench structure level relatively uneven top of the semiconductor wafer. This is preferably by a chemical mechanical polishing method (CMP) reached. Another possibility is that for leveling the top of the semiconductor wafer to a semiconductor body with flattened top and with a flat back first a leveling photoresist layer or a spin-on-glass layer the uneven top is applied.
Der Ätzselektivitätsfaktor gegenüber dem Halbleitermaterial der Driftstrecke wird für derartige Spin-on-Glas-Schichten bzw. Fotolackschichten in Verbindung mit dem gewählten Ätzverfahren bzw. Abtragsverfahren mit nahezu 1 gewählt. Nur dann kann davon ausgegangen werden, dass ein Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite problemlos erfolgen kann, indem die aufgebrachte eingeebnete Fotolackschicht oder Spin-on-Glas-Schicht und das Epitaxiematerial gleichmäßig rückgeätzt werden.The etch selectivity factor across from The semiconductor material of the drift path is for such spin-on-glass layers or photoresist layers in conjunction with the selected etching process or removal process with almost 1 chosen. Only then can be assumed that a leveling of the top of the semiconductor wafer to a semiconductor body with a flattened top can be done easily by the applied planarized photoresist layer or spin-on-glass layer and the epitaxial material is evenly etched back.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The The invention will now be described with reference to the accompanying figures.
Die
Auch andere Maßnahmen, welche die Diffusionskonstante lokal beeinflussen könnten, sind möglich, wie z. B. die lokale Injektion von Siliziumgitterleerstellen zur Reduzierung der Diffusionskonstanten in dem Bereich, in dem die laterale Diffusion unterdrückt werden soll. Auch ist es möglich, eine lo kale Erhöhung der Diffusionskonstanten in dem Bereich, in dem die Ladungskompensationszonen entstehen sollen, einzubringen, beispielsweise durch die Injektion von zusätzlichem interstitiellem Silizium.Also other measures, which could affect the diffusion constant locally are possible, such as z. For example, local injection of silicon lattice vacancies for reduction the diffusion constant in the region where the lateral diffusion is suppressed should. It is also possible a local increase the diffusion constant in the area where the charge compensation zones should occur, for example, by injection from additional interstitial silicon.
Durch die Reduzierung der lateralen Diffusion der die Säulen bildenden Dotierstoffe ist es darüber hinaus möglich, bei verringerter oder gleicher Welligkeit der Säulen die vertikale Diffusion gegenüber der lateralen Diffusion zu erhöhen und somit die Trennung der Bereiche der säulenförmigen Ladungskompensationszonen von den Driftzonen zu verbessern.By the reduction of the lateral diffusion of the pillars Dopants it is about it out possible, with reduced or equal waviness of the columns, the vertical diffusion across from to increase the lateral diffusion and thus the separation of the areas of the columnar charge compensation zones to improve from the drift zones.
Anschließend wird
die freigelegte Fläche
Die
Jedoch
ist es durchaus möglich,
die Donatorenkonzentration auf unter 1014 cm–3 zu
vermindern, so dass von einer undotierten Epitaxieschicht gesprochen
werden kann, zumal keine Dotierstoffe zusätzlich bei der Abscheidung
von monokristallinem Silizium auf dem Siliziumsubstrat
Werden
diese Bereiche
Die
Nach
dem Einbringen der Grabenstruktur
- 11
- Leistungshalbleiterelement (1. Ausführungsform)Power semiconductor element (1st embodiment)
- 22
- Leistungshalbleiterelement (2. Ausführungsform)Power semiconductor element (2nd embodiment)
- 33
- LadungskompensationsstrukturCharge compensation structure
- 44
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 55
- Driftstreckedrift
- 66
- monokristalline SiGe-Schicht bzw. SiGeC-Schichtmonocrystalline SiGe layer or SiGeC layer
- 77
- Epitaxieschichtepitaxial layer
- 88th
- Säule aus komplementärem LeitungstypPillar out complementary cable type
- 99
- Driftzonedrift region
- 1010
- Halbleitermaterial monokristallin gewachsen in GrabenstrukturSemiconductor material monocrystalline grown in trench structure
- 1111
- LadungskompensationszoneCharge compensation zone
- 1212
- monokristallines Substratmonocrystalline substratum
- 1313
- Grabenstrukturgrave structure
- 1414
- Wand der Grabenstrukturwall the trench structure
- 1515
- Wand der Grabenstrukturwall the trench structure
- 1616
- Strompfadcurrent path
- 1717
- mittel dotierte Epitaxieschichtmedium doped epitaxial layer
- 1818
- Oberseite des Halbleiterkörpertop of the semiconductor body
- 1919
- Oberseite des Substratstop of the substrate
- 2020
- Sockelepitaxieschichtpedestal
- 2121
- Oberseite der Sockelepitaxieschichttop the pedestal epitaxy layer
- 2222
- HalbleiterwaferSemiconductor wafer
- 2323
- diffusionshemmender Bereichdiffusion-inhibiting Area
- 2424
- hochdotierter Bereich in Driftzonehighly paid Area in drift zone
- 2525
- schwachdotierter Bereich in Driftzonelightly doped Area in drift zone
- 2626
- U-FormU-shape
- 2727
- Oberseite der Epitaxieschichttop the epitaxial layer
- 2828
- Flächearea
- 2929
- diffusionshemmende Schichtdiffusion-inhibiting layer
- 3030
- Grabenbodengrave soil
- 3131
- Rückseite des Halbleiterkörperback of the semiconductor body
- 3232
- undotierte Epitaxieschichtundoped epitaxial layer
- 3333
- MesenMesen
- 3434
- Oberseite der Mesentop the mesen
- 3535
- borimplantierter Bereich bzw. Akzeptorionenbereichborimplantierter Area or acceptor area
- HH
- Höhe der MesenHeight of the mesen
- DD
- Gesamtdicke der Epitaxieschichttotal thickness the epitaxial layer
- dd
- Dicke eines diffusionshemmenden Bereichsthickness a diffusion-inhibiting area
- tt
- Tiefe der Ladungskompensationszonedepth the charge compensation zone
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