DE102006025218A1

DE102006025218A1 - Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102006025218A1
Application number: DE102006025218A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Rer. Nat. Hirler
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: DE102006025218B4; US7646061B2; US20070272953A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement (1) mit Ladungskompensationsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Leistungshalbleiterbauelement (1) weist in einem Halbleiterkörper (5) eine Driftstrecke (6) zwischen einer Bodyzone (7) und einem Substratbereich (8) auf. Die Driftstrecke (6) ist in Driftzonen (9) eines ersten Leitungstyps (n), die einen Strompfad (10) der Driftstrecke (6) zwischen der Bodyzone (7) mit einem Leitungstyp (p) komplementär zum ersten Leitungstyp (n) und dem Substratbereich (8) mit erstem Leitungstyp (n) bereitstellen, und in Ladungskompensationszonen (4) mit komplementärem Leitungstyp (p), die den Strompfad (10) der Driftstrecke (6) einengen, aufgeteilt. Dabei weist das Leistungshalbleiterbauelement (1) eine Feldstoppzone (11) mit erstem Leitungstyp (n) auf, die auf dem Substratbereich (8) angeordnet ist, wobei die Nettodotierstoffkonzentration (N<SUB>F</SUB>) der Feldstoppzone (11) niedriger als die des Substratbereichs (8) und höher als die der Driftzonen (9) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das Leistungshalbleiterbauelement weist in einem Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen einer Bodyzone und einem Substratbereich auf. Die Driftstrecke ist in Driftzonen eines ersten Leitungstyps und Ladungskompensationszonen mit komplementärem Leitungstyp aufgeteilt. Im Durchlassfall bildet sich in den Driftzonen ein Strompfad der Driftstrecke zwischen der Bodyzone mit einem komplementären Leitungstyp und dem Substratbereich aus. Im Sperrfall engen die Ladungskompensationszonen den Strompfad der Driftstrecke ein und schnüren den Stromfluss ab.
Ein derartiges Leistungshalbleiterbauelement ist aus der Druckschrift US 5,216,275 bekannt. Die dort vorgeschlagenen Leistungshalbleiterbauelemente weisen eine Driftstrecke mit Driftzonen und Ladungskompensationszonen auf, die der Erfinder als zusammengesetzte Pufferschicht bezeichnet (CB-layer oder composit buffer layer). Derartige Ladungskompensationsbauelemente mit ausräumbaren komplementär dotierten Ladungskompensationszonen in Form von komplementär dotierten Säulen haben bei sehr genauer Ladungskompensation und über die Tiefe der Säulen konstanter Dotierung derselben den Nachteil, dass sie bei einer Veränderung der Kompensation durch Stromfluss von einigen Ampere im Sperrfall bei Eintreten des Avalanchefalls die Sperrspannung deutlich abfällt. Die Sperrkennlinie, die zunächst von einem durch die Eigenleitung des Halbleitermaterials bestimmten Sperrstrom gekennzeichnet ist, geht in die Durchbruchskennlinie im Avalanchefall über und zeigt bei zusätzlicher Spannungsaufnahme den so genannten "snap back effect". Dieser snap back effect ist dadurch gekennzeichnet, dass bereits bei niedrigen Strömen von einigen Ampere die Sperrspannung deutlich abnimmt, ohne das Bauelement zu zerstören.
Der snap back effekt bzw. das Rückschnappen der Durchbruchskennlinie kann bei Ladungskompensationsbauelementen durch eine variable Dotierung der Ladungskompensationszonen eingedämmt werden, wie es aus der Druckschrift DE 198 40 032 C1 bekannt ist. Diese Lösung kann jedoch nur eingeschränkt auf eine Technologie angewandt werden, bei der die Ladungskompensation durch Stapeln von selektiv dotieren Epitaxieschichten hergestellt werden. Für Techniken, bei denen die Ladungskompensationszonen durch Einbringen von Grabenstrukturen erfolgt, bei denen die n- oder p-Dotierung über Grabenseitenwände eingebracht wird, ist jedoch eine variable Dotierung der Ladungskompensationszonen nicht ohne weiteres realisierbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Konzept und eine neue Struktur für Leistungshalbleiterbauelemente mit Ladungskompensationsstruktur zu schaffen, bei dem ein Rückschnappen der Durchbruchskennlinie im Avalanchefall auch bei konstanter Dotierung der Ladungskompensationszonen über dem Nennstrom hinaus zu höheren verschoben wird und eine zusätzliche Überspannungsreserve geschaffen wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung desselben angegeben. Das Leistungshalbleiterbauelement weist in einem Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen einer Bodyzone und einem Substratbereich auf. Die Driftstrecke ist in Driftzonen eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad der Driftstrecke zwischen der Bodyzone mit einem Leitungstyp komplementär zum ersten Leitungstyp und dem Substratbereich mit dem ersten Leitungstyp bereitstellen, und in Ladungskompensationszonen mit komplementärem Leitungstyp, die den Strompfad der Driftstrecke einengen, aufgeteilt. Dabei weist das Leistungshalbleiterbauelement eine Feldstoppzone mit erstem Leitungstyp auf, die auf dem Substratbereich angeordnet ist, wobei die Nettodotierstoffkonzentration der Feldstoppzone niedriger als die des Substratbereichs und höher als die der Driftzonen ist.
Dieses Leistungshalbleiterbauelement hat den Vorteil, dass mit dem Einbringen einer Feldstoppzone auf den Substratbereich eine im Vergleich zur Driftzone etwas höher dotierte Zone des ersten Leitungstyps zwischen den Kompensationszonen geschaffen wird, die im Sperrfall nicht vollständig ausgeräumt werden kann, da sie höher dotiert ist als die Driftzone, d. h. diese Feldstoppzone begrenzt die Ausbreitung der Raumladungszone des p-n-Übergangs zwischen Driftzonen und Ladungskompensationszonen im Feldzonenbereich auf dem Substratbereich. Wenn bei zunehmender Stromdichte im Avalanchefall die beweglichen Ladungsträger die Hintergrundladung kompensieren, kann sich die Raumladungszone weiter nach unten ausbreiten, wodurch das Leistungshalbleiterbauteil in vorteilhafter Weise mehr Spannung aufnehmen kann und die Durchbruchskennlinie erst bei höheren Strömen den snap back effect zeigt.
So wird beispielsweise durch eine etwa 8 Mikrometer μm zusätzliche Feldstoppschicht mit 10 Prozent zusätzlicher Dotierung des ersten Leitungstyps gegenüber der Dotierung der Driftzonen die Stromdichte bis zum Auftreten des snap back effects der Durchbruchskennlinie um etwa einen Faktor 30 erhöht. Bei gleicher Durchbruchsspannung nimmt der Durchlasswiderstand dennoch nur geringfügig zu.
Die Feldstoppzone, deren Nettodotierstoffkonzentration geringfügig über der Driftzone liegt, kann auf dem Substratbereich unterschiedlich angeordnet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Feldstoppzone unterhalb der Ladungskompensationszonen und der Driftzonen der Driftstrecke auf dem Substratbereich angeordnet. Bereits bei dieser Positionierung der Feldstoppzone kann beobachtet werden, dass der snap back effect der Durchbruchskennlinie im Avalanchefall hinausgezögert wird.
Eine größere Wirkung kann dadurch erzielt werden, dass die Feldstoppzone in die Driftzonen derart hineinragt, dass sie teilweise zwischen den Ladungskompensationszonen angeordnet ist. Eine derartige Anordnung der Feldstoppzone ist am wirksamsten, da sie zwischen den Ladungskompensationszonen angeordnet ist.
Werden die Ladungskompensationszonen in Grabenstrukturen des Halbleiterkörpers angeordnet, so können die Ladungskompensationszonen bis an den Substratbereich oder sogar bis in den Substratbereich hineinragen. In dem Fall ragt die Feldstoppzone in die Driftzonen derart hinein, dass sie vollständig zwischen den Ladungskompensationszonen angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass der Avalancheeffekt zwischen dem Sub stratbereich und den Ladungskompensationszonen lokalisiert wird und sich auf die großflächigen Berührungsbereiche zwischen Substratbereich und Ladungskompensationsbereich verteilt und damit eine Beschädigung des Leistungshalbleiterbauelements die Zerstörung durch lokale Durchbrüche und/oder Überhitzungen verhindert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Nettodotierstoffkonzentration der Feldstoppzone von dem Substratbereich zu den Diffusionszonen hin abrupte stufenförmige Übergänge auf mit mindestens einem ersten Nettodotierstoffkonzentrationsübergang zwischen dem Substratbereich und der Feldstoppzone und einem zweiten Nettodotierstoffkonzentrationsübergang zwischen Feldstoppzone und Driftzonen.
Dieser stufenförmige Übergang bringt zwar eine erste Verbesserung in Bezug auf den snap back effect, jedoch kann dieser Einfluss weiter verbessert werden, wenn die Nettodotierstoffkonzentration der Feldstoppzone von einer Nettodotierstoffkonzentrationsstufe am Übergang zum Substratbereich zu der Nettodotierstoffkonzentration der Diffusionszonen graduell abnimmt. Durch diese in die Tiefe des Halbleiterbauteils hinein leicht ansteigende Nettokonzentration der Feldstoppzone wird diese deutlich effizienter, da dann die Spannung noch kontinuierlicher mit der Stromdichte bis zu höheren Stromdichten zunimmt und gleichzeitig die Leitfähigkeit mit zunehmender Tiefe ansteigt.
Eine besondere Form dieses graduellen Abfalls der Nettodotierstoffkonzentration vom Substratbereich hin zu den Driftzonen kann durch Diffusionsvorgänge erreicht werden, so dass die Feldstoppzone dann ein Diffusionsprofil aufweist. Da die Feldstoppzone unterschiedliche Profile wie ein Diffusionspro fil, ein graduell abnehmendes Profil oder ein Stufenprofil aufweisen kann, werden im Nachfolgenden mittlere Nettodotierstoffkonzentrationen N_F als Mittelwert über das Profil der Feldstoppzone verstanden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mittlere Nettodotierstoffkonzentrationen N_F der Feldstoppzone um 2 % ≤ (N_F/N_D) 100 % ≤ 50 %, vorzugsweise um 5 % ≤ (N_F/N_D)·100 % ≤ 20 % höher als die Nettodotierstoffkonzentration N_D der Driftzonen. In diesen Konzentrationsbereichen ergeben sich, wie die nachfolgenden Diagramme verdeutlichen, die größtmöglichsten Spannungsüberhöhungen der Durchbruchkennlinien im Avalanchefall.
Die geometrische Gestaltung von Kompensationszonen und Driftzonen für eine wirkungsvolle Driftstrecke kann unterschiedlich ausgeführt sein. Vorzugsweise sind in einer Ausführungsform der Erfindung die Ladungskompensationszonen und die Driftzonen streifenförmig nebeneinander angeordnet. Darüber hinaus ist es auch möglich die Ladungskompensationszonen und die Driftzonen säulenförmig nebeneinander anzuordnen. In beiden Fällen wird die Kompensation jedoch derart ausgestaltet sein, dass die horizontalen flächigen Belegungen der Ladungskompensationszonen und der Driftzonen in Bezug auf ihre Majoritätsladungsträger ausgeglichen sind, so dass eine vollständige Ausräumung der Majoritätsladungsträger in den Driftzonen im Sperrfall möglich wird.
Vorzugsweise weist der Halbleiterkörper einen hochdotierten Substratbereich des ersten Leitungstyps auf, auf dem eine dotiert aufgewachsene Epitaxieschicht angeordnet ist, welche die Nettodotierstoffkonzentration der Feldstoppzone aufweist. In diesem Fall wird eine Feldstoppzone mit stufenweisen Übergängen vom Substratbereich zum Feldstoppzonenbereich und vom Feldstoppzonenbereich zu dem Driftzonenbereichen gebildet, da die Dotierstoffkonzentration in Epitaxieschichten auf einem vorbestimmten konstanten Level gehalten werden kann. Außerdem wird in diesem Fall der Dotierstoff beim Herstellen der Epitaxie synchron mit in die wachsende Epitaxieschicht eingebaut.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterkörper einen hochdotierten Substratbereich des ersten Leitungstyps auf, auf dem eine undotiert aufgewachsene Epitaxieschicht angeordnet ist. In diese Epitaxieschicht wird der Dotierstoff der Feldstoppzone implantiert und/oder eindiffundiert. Dabei entstehen graduell sich verändernde Nettodotierstoffkonzentrationsprofile im Bereich der Feldstoppzone, die gegenüber stufenförmigen Dotierstoffprofilen einen wie in den nachfolgenden Diagrammen gezeigten Vorteil durch eine erhöhte Sperrspannung im Avalanchefall zulassen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterkörper zwischen der Driftstrecke und dem Substratbereich eine Pufferzone aus Feldstoppzonenmaterial auf. Diese ergibt sich dann, wenn die Ladungskompensationszonen zwar in den Feldstoppzonenbereich hineinreichen, aber nicht an den Substratbereich anstoßen. Während Pufferzonen herkömmlicher Leistungsbauelemente, die zur Aufnahme höherer Spannungen ausgelegt sind, und eine Dotierstoffkonzentration aufweisen, die niedriger als die Dotierung der Driftzonen ist, wird im Gegensatz dazu erfindungsgemäß die Pufferzone wie die Feldstoppzone und somit höher als die Driftzonen dotiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Driftstrecke aufeinander undotiert aufgewachsene Epitaxieschichten auf. Diese Epitaxieschichten sind in den Bereichen der Driftzonen und der Ladungskompensationszonen mit entsprechend selektiv implantierten und/oder diffundierten Dotierstoffkonzentrationen ausgestattet. Bei dieser Technologie ist es auch möglich zusätzlich zu der Feldstoppzone auf dem Substratbereich auch eine Variation der Dotierstoffkonzentrationen in den Ladungskompensationszonen zu erreichen, um beispielsweise die zwischen Bodyzone und Driftzone maximal auftretende elektrische Feldstärke in einen Mittenbereich der Driftzone zu verlagern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Leistungshalbleiterbauelement in dem Halbleiterkörper eine Grabenstruktur in Form von Trenches auf, in der die Ladungskompensationszonen angeordnet sind. Diese Struktur hat gegenüber der Struktur, die auf aufgewachsenen Epitaxieschichten basiert, den Vorteil, dass die Anzahl der Epitaxieschichten verringert werden kann, indem nur eine Epitaxieschicht für die Feldstoppzone und eine weitere Epitaxieschicht für das Einbringen der Grabenstruktur und damit zum Aufbau der Driftstrecke erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Tiefe der Grabenstruktur optimal gewählt werden kann, so dass die Ladungskompensationszonen in die Feldstoppzone hineinragen. Dabei können die Ladungskompensationszonen mit komplementären Leitungstyp in die Wände der Grabenstruktur implantiert und/oder eindiffundiert sein. Mit dieser Technik können sehr schlanke Ladungskompensationszonen geschaffen werden.
Weiterhin können die Ladungskompensationszonen mit komplementärem Leitungstyp auf die Wände der Grabenstruktur epitaxial aufgewachsen sein. In diesem Fall kann die Dotierstoffkonzentration der Ladungskompensationszonen relativ exakt an die Dotierstoffkonzentration der Driftzonen angepasst werden, was bei implantierten und/oder eindiffundierten Dotierstoffen problematisch ist.
Wird die Grabenstruktur nicht vollständig durch eine epitaxiale Schicht auf den Wänden der Grabenstruktur aufgefüllt oder weisen die Wände der Grabenstruktur lediglich implantierte und eindiffundierte Strukturen auf, so können die Grabenstrukturen zusätzlich mit einem dielektrischen isolierenden Material aufgefüllt sein. Auch ist es möglich, die Grabenstrukturen mit einem undotierten Polysilizium aufzufüllen.
Um das einmal in den Ladungskompensationsbereich ein gebrachte Dotierstoffniveau der Grabenstruktur bzw. in den Wänden der Grabenstruktur zu halten, weisen die komplementär dotierten Wände der Grabenstruktur eine diffusionshemmende Schicht auf, die vorzugsweise von einem kubisch flächenzentrierten SiC gebildet ist. Jedoch eignen sich auch Schichten aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid als diffusionshemmende Schichten auf den komplementär dotierten Grabenwänden.
Im Gegensatz zu den Zellstrukturen des Leistungshalbleiterbauelements, die sich aus Driftzonen und Ladungskompensationszonen zusammensetzen, bleibt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Randstruktur in vorteilhafter Weise frei von einer Feldstoppzone, da im Randbereich mehr Spannung aufgenommen werden kann als im Zellenfeld. Dabei kann die Randstruktur durch Feldplatten, durch Ringe oder durch entsprechende Grabenstrukturen realisiert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform des Leistungshalbleiterbauelements weist die Randstruktur mindestens eine floatende komplementär dotierte Randkompensationszone entlang dem Rand des Leistungshalbleiterbauelements auf. Die Randstruktur kann darüber hinaus eine Randpassivierungsschicht aufweisen, die ein Halbleiteroxid, ein Halbleiternitrid, ein DLC, ein EOX und/oder ein Siliziumkarbid aufweist.
Wie bereits einleitend beschrieben kann die Nettodotierstoffkonzentration in den Ladungskompensationszonen in Abhängigkeit von der Tiefe variiert sein und in einem mittleren Schichtbereich der Nettodotierstoffkonzentration der Driftzonen derart vorgesehen sein, dass die Driftstreckenschichtdotierung ausgeglichen ist. Unter Driftstreckenschichtdotierung wird in diesem Zusammenhang das Integral der Dotierstellen einer horizontalen Schicht der vertikal sich erstreckenden Driftstrecke unter Einschluss der in der Driftstreckenschicht angeordneten Driftzonen- und Ladungskompensationszonenbereiche verstanden. Dabei ist die Driftstreckenschichtdotierung dann ausgeglichen, wenn die Anzahl der Majoritätsladungsträger des ersten Leitungstyps in der Schicht der Driftzone gleich der Anzahl der Majoritätsladungsträger des komplementären Leitungstyps in der entsprechenden Schicht der Ladungskompensationszone ist.
Eine erfindungsgemäße Feldstoppzone kann sowohl in Leistungshalbleiterbauelementen mit einer vertikalen Gatestruktur als auch in Leistungshalbleiterbauelementen mit einer lateralen Gatestruktur in vorteilhafter Weise verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch Leistungshalbleiterbauelemente mit einer vertikalen Gatestruktur, bei der eine zusätzliche Grabenstruktur ein vertikales Gateoxid aufweist, wobei die zusätzliche Grabenstruktur mit einem Gateelektrodenmaterial aufgefüllt ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein dotierter Substratbereich für einen Halblei terkörper bereitgestellt. Ein derartiger Substratbereich kann beispielsweise eine Halbleiterchipposition auf einem Halbleiterwafer sein. Auf diesen Substratbereich wird eine Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone mit geringerer Dotierstoffkonzentration als der Substratbereich aufgewachsen. Anschließend erfolgt ein Aufwachsen von mehreren undotierten Epitaxieschichten im Wechsel mit einem selektiven Dotieren der Epitaxieschichten für eine Driftstrecke mit Driftzonen geringerer Dotierstoffkonzentration als die Feldstoppzone und mit komplementär dazu dotierten Ladungskompensationszonen auf der Feldstoppzone. Auf der Oberseite der dabei entstehenden Driftstrecke aus Driftzonen und komplementär dotierten Ladungskompensationszonen wird eine Oberseitenstruktur und auf der Rückseite des Substratbereichs eine Rückseitenstruktur in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung des Leistungshalbleiterbauelements hergestellt. Abschließend werden elektrisch leitende Elektroden auf die Oberseitenstruktur und die Rückseitenstruktur aufgebracht.
Neu und vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemäß US 5,216,275 ist das Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone auf dem Substratbereich mit geringerer Dotierstoffkonzentration als der Substratbereich und mit höherer Dotierstoffkonzentration als die nachfolgend aufgebrachten Driftzonenbereiche. In diesem Verfahren wird ein Leistungshalbleiterbauelement realisiert, das eine Durchbruchskennlinie aufweist, die selbst bei hohen Stromdichten zunächst nicht einen so genannten "snap back effect" zeigt, sondern vielmehr im Avalanchezustand noch einen Überspannungsbereich zulässt, der bei herkömmlichen Bauelementen ohne eine derartige Feldstoppzone zur Zerstörung des Bauelements führen kann.
Während dieses Leistungshalbleiterbauelement mit einem mehrfach Epitaxieschichtverfahren hergestellt wird, ist es alternativ auch möglich, ein derartiges Leistungshalbleiterbauelement mit Hilfe von einem nachträglichen Einbringen von Grabenstrukturen zu realisieren. Ein derartiges Verfahren weist ein Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone auf dem Substratbereich mit geringerer Dotierstoffkonzentration als der Substratbereich und ein Aufwachsen einer dotierten Epitaxieschicht für eine Driftstrecke mit geringerer Dotierstoffkonzentration als die Feldstoppzone auf. Für die gesamte Driftstrecke ist bei diesem Verfahren in vorteilhafter Weise nur ein Epitaxieschritt erforderlich. Das Einbringen der Ladungskompensationszonen wird technologisch durch Einbringen einer Grabenstruktur erreicht. Demnach erfolgt nach dem Aufbringen einer dotierten Epitaxieschicht für eine Driftstrecke mit einer Driftzonendotierstoffkonzentration, die geringer ist als die Dotierstoffkonzentration der dotierten Epitaxieschicht für die Feldstoppzone, das Einbringen einer Grabenstruktur in die Epitaxieschicht zur Herstellung von Ladungskompensationszonen mit einer Grabentiefe bis zur Feldstoppzone oder tiefer in die Feldzone hinein.
Danach wird eine Seitenwanddotierung der Grabenstruktur zu komplementär dotierten Ladungskompensationszonen durchgeführt. Dabei kann vorzugsweise die Seitenwanddotierung mittels Zonenimplantation oder Seitenwandvorbelegung mit Nachdiffusion oder mittels einer Diffusion aus der Gasphase erfolgen. Anschließend kann die Grabenstruktur mit einem dielektrischen Material aufgefüllt werden. Nun kann das Herstellen einer Oberseitenstruktur und/oder einer Rückseitenstruktur in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung des Leistungshalbleiterbauelements erfolgen. Abschlie ßend werden noch elektrisch leitende Elektroden auf die Oberseitenstruktur und die Rückseitenstruktur aufgebracht.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Tiefe nicht durch die Oberseite der auf den Substratbereich aufgebrachten Feldstoppzone limitiert und bestimmt wird, sondern dass die Tiefe der Grabenstruktur für die Ladungskompensationszone bis in die Feldstoppzone hinein und weiter bis zum Substratbereich reichen kann.
Eine weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird wie bei den vorhergehenden Verfahrensvarianten ein dotierter Substratbereich für einen Halbleiterkörper mit Oberseite und Rückseite bereitgestellt und auf diesem Substratbereich eine Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone mit geringerer Dotierstoffkonzentration als der Substratbereich aufgewachsen.
Danach erfolgt wie beim vorhergehenden Beispiel das Aufwachsen einer dotierten Epitaxieschicht für eine Driftstrecke mit Driftzonen, die eine geringere Dotierstoffkonzentration als die Feldstoppzone aufweisen. Schließlich wird in diese oder in beide Epitaxieschichten eine Grabenstruktur für Ladungskompensationszonen mit einer Grabentiefe bis zur Feldstoppzone oder in die Feldstoppzone hinein eingebracht. Anschließend wird eine komplementär leitende Epitaxieschicht unter Auffüllen der Grabenstruktur für Ladungskompensationszonen aufgewachsen. Damit ist die Grundstruktur für die Driftstrecke hergestellt, und nun kann ein Herstellen einer Oberseitenstruktur und/oder einer Rückseitenstruktur in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung des Leistungshalbleiterbauelements erfolgen. Abschließend werden wieder elekt risch leitende Elektroden auf die Oberseitenstruktur und die Rückseitenstruktur aufgebracht.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit der Herstellung der Ladungskompensationszonen gleichzeitig die Grabenstruktur wieder aufgefüllt wird. Außerdem kann die Dotierstoffkonzentration für die Ladungskompensationszonen mittels einer derartigen Epitaxieschicht sehr genau an die Dotierstoffkonzentration der vorher erstellten Driftzonenbereiche angepasst werden.
In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird als Substratdotierung ein langsam in einem Halbleiterkörper diffundierender Donator vorzugsweise Arsen verwendet und vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone wird in die Oberseite des dotierten Substratbereichs zusätzlich ein schnell diffundierender Donator vorzugsweise Phosphor implantiert. Damit kann beim anschließenden Aufwachsen der Epitaxieschicht für die Feldstoppzone der zusätzliche Donator in die wachsende Epitaxieschicht eindiffundieren und sich eine graduelle Überhöhung der Dotierung für die Feldstoppzone mit graduell abnehmendem Diffusionsprofil zur Driftzone hin ausbilden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass für die Feldstoppzone ein gradueller und langsamer Übergang der Dotierstoffkonzentration von dem Substratbereich zu den Driftzonen geschaffen werden kann.
Vorzugsweise werden vor dem Implantieren eines zusätzlichen Donators die Randbereiche mit einer Ionenimplantationsmaske abgedeckt, so dass beim nachfolgenden Aufwachsen einer Epitaxieschicht für die Feldstoppzone keine Feldstoppzonen in den abgedeckten Randbereichen gebildet werden. Mit diesem Verfah rensschritt ist der Vorteil verbunden, dass die Randbereiche vor dem Ausbilden einer Feldstoppschicht geschützt sind.
Vorzugsweise wird zur Dotierung der Epitaxieschicht der Feldstoppzone eine Rückseitendiffusion mit Wasserstoff und anschließend eine Temperung bei erhöhter Temperatur durchgeführt, so dass zusätzliche n-dotierte Störstellen insbesondere für den Bereich der Feldstoppzone erzeugt werden können. Eine derartige Rückseitendiffusion kann vorteilhafter Weise vollflächig ausgeführt werden, wobei jedoch die Randbereiche nicht vor dem Ausbilden einer Feldstoppzone geschützt sind.
Ferner können zur Dotierung der Epitaxieschicht für die Feldstoppzone (11) Störstellen in den oberseitennahen Bereich des Substrats vor einem Aufwachsen einer Epitaxieschicht eingebracht werden, wobei der Diffusionskoeffizient der eingebrachten Störstellen größer als der Diffusionskoeffizient der auf Substitutionsgitterplätzen im Substrat angeordneten Störstellen ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Störstellen mit größerem Diffusionskoeffizient beim Aufwachsen einer Epitaxieschicht für die Feldstoppzone aus dem oberseitennahen Bereich in die Epitaxieschicht eindiffundieren und ein Diffusionsprofil in die Feldstoppzone einbringen.
Vorzugsweise wird als Substratbereich eines Halbleiterkörpers zur gleichzeitigen Herstellung von mehreren Leistungshalbleiterbauelementen ein hochdotierter Halbleiterwafer mit einer Mehrzahl in Zeilen und Spalten angeordneten Leistungshalbleiterchippositionen eingesetzt. Ein derartiger Halbleiterwafer hat den Vorteil, dass in den Halbleiterchippositionen die Randbereiche der jeweiligen Leistungshalbleiterchips abge deckt werden können, so dass in den Randbereichen keine Feldstoppzonen entstehen.
Sind für die Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements Grabenstrukturen vorgesehen, so kann vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps für die Driftstrecke auf dem Substratbereich oder auf der Feldstoppzone eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur aufgebracht werden. Diese strukturierte Hilfsschicht ermöglicht einen Ätzstopp und besteht vorzugsweise aus einem Halbleiteroxid oder einem Halbleiternitrid. Dabei wird die Struktur der Hilfsschicht in den Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur in einer derartigen Feinstruktur aufgebracht, dass ein laterales monokristallines Überwachsen der Feinstruktur ermöglicht wird.
Darüber hinaus kann zum Einbringen der Grabenstruktur in die Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps eine Ätzmaske mit streifenförmigen Mustern im Bereich der Driftstrecke photolithographisch aufgebracht werden, so dass im Ergebnis streifenförmige Driftzonen und streifenförmige Ladungskompensationszonen als Driftstrecken nebeneinander liegen. Alternativ ist es möglich, eine Ätzmaske mit quadratischen oder hexagonalen Mustern im Bereich der Driftstrecke photolithographisch aufzubringen. In diesem Fall entsteht eine säulenförmige Grabenstruktur, die später mit Ladungskompensationszonen ausgestattet wird. Zum Einbringen derartiger Grabenstrukturen können eine anisotrope Ätzung, eine anisotrope reaktive Ionenätzung, eine gerichtete Plasmaätzung oder eine gerichtete Plasmaätzung mit Endpunktdetektion durchgeführt werden. Außerdem ist es von Vorteil, nach dem Einbringen der Grabenstruktur und vor dem Dotieren der Grabenstrukturwände die Oberflächen der Grabenstruktur chemisch zu reinigen. Weiterhin ist es möglich zur Präparation der Grabenwände die gesamte Oberseite des Halbleiterkörpers zu oxidieren und anschließend die Oxidschicht wegzuätzen. Auch können mittels eines Wasserstofftemperschrittes die Wände der Grabenstruktur geglättet werden, bevor die Grabenwände dotiert werden.
Ferner können vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht oder dem Eindiffundieren eines Dotierstoffes des komplementären Leitungstyps in die Grabenstruktur die Grabenstrukturwände derart geätzt werden, dass sie eine Schräge aufweisen, so dass die Breite der Grabenstruktur an der Oberseite des Halbleiterkörpers größer als im Bodenwandbereich der Grabenstruktur wird.
Zum Dotieren der Grabenstrukturwände wird vorzugsweise eine Dotierstoffschicht eines Dotierstoffglases mit Dotierstoffatomen des komplementären Leitungstyps auf den Grabenwänden abgeschieden. Anschließend wird der Dotierstoff dieser Schicht zur Bildung der Ladungskompensationszonen in die Grabenwände eindiffundiert und nach einem Diffusionsschritt wird die Dotierstoffschicht wieder entfernt.
An Stelle einer Dotierstoffquelle in Form einer Dotierstoffschicht wird in einem alternativen Verfahren für die Herstellung der Ladungskompensationszonen eine Epitaxieschicht auf den Grabenwänden aufgewachsen mit einer Dicke d zwischen 100 nm ≤ d ≤ 1000 nm, vorzugsweise 200 nm ≤ d ≤ 600 nm. Zum Dotieren der Grabenstrukturwände aus einer zusätzlich aufgewachsenen Epitaxieschicht oder der Grabenstruktur einer ursprünglichen Epitaxieschicht kann eine Vordotierung aus der Gasphase mit anschließender Nachdiffusion erfolgen, um Ladungskompensationszonen herzustellen. Außerdem ist es von Vorteil, nach dem Dotieren der Grabenstrukturwände zu La dungskompensationszonen eine diffusionshemmende Schicht vorzugsweise aus einem amorphen Silizium oder einem kubisch flächenzentrierten Siliziumcarbid auf den Flächen der Grabenstruktur in einer Dicke 10 nm ≤ d ≤ 300 nm, vorzugsweise 50 nm ≤ d ≤ 150 nm abzuscheiden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Diagramm mit einem Nettodotierstoffprofil eines Leistungshalbleiterbauelements ohne Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone;
2 zeigt ein schematisches Diagramm der Sperrströme im Bereich der Durchbruchskennlinie von Leistungshalbleiterbauelementen mit Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone;
3 zeigt ein schematisches Diagramm mit Nettodotierstoffprofilen unterschiedlicher Feldstoppzonen;
4 zeigt ein schematisches Diagramm mit den Sperrströmen im Bereich von Durchbruchskennlinien der in 3 gezeigten Nettodotierstoffprofile unterschiedlich dotierter Feldstoppzonen;
5 zeigt ein schematisches Diagramm von Sperrstromkennlinien bis in die Bereiche der Durchbruchskennlinien für ein Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone;
6 zeigt ein schematisches Diagramm des Verlaufs der elektrischen Feldstärke für ein Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt ein schematisches Diagramm mit einem Nettodotierstoffprofil A eines Leistungshalbleiterbauelements ohne Feldstoppzone im Vergleich zu einem Nettodotierstoffprofil B eines Leistungshalbleiterbauelements mit Feldstoppzone. Dazu ist auf der Abszisse die Tiefe t in Mikrometern (μm) beginnend mit Null bei der Oberseite des Halbleiterkörpers in Richtung auf den Nettodotierstoffübergang 13 zum Substrat hin aufgetragen. Zunächst fallen beide Nettodotierstoffprofile zusammen und zeigen an der Oberseite des Halbleiterkörpers bei t = 0 eine Konzentration größer 10¹⁹ cm^–3 für das Sourcegebiet, nachfolgend eine Konzentration von etwa maximal 10¹⁷ cm^–3 für die komplementär leitende Bodyzone und schließlich eine Konzentration von etwa 2·10¹⁶ cm^–3 für die n^– leitende Epitaxieschicht der Driftzonen der Driftstrecke. In ei ner Tiefe t größer 50 μm unterscheiden sich die Nettodotierstoffprofile A und B. Das Nettodotierstoffprofil A für ein Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone zeigt bei einer Tiefe t von etwa 50 μm einen steilen Anstieg auf etwa 3·10¹⁸ cm^–3 eines n⁺-leitenden Substratbereichs. Das Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone weist ab 50 μm eine Sockeldotierung der Feldstoppzone mit stufenförmigem Übergang 12 auf, der hier zweistufig ist mit einem Nettodotierstoffübergang 14 von 2·10¹⁶ cm^–3 der Driftzone auf die Feldstoppzonenkonzentration des n-Sockels mit 2,2·10¹⁶ cm^–3 und einem steilen Nettodotierstoffübergang 13 auf die Dotierung des n⁺-leitenden Substratbereichs.
2 zeigt ein schematisches Diagramm der Sperrströme im Bereich der Durchbruchskennlinie von Leistungshalbleiterbauelementen mit Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone. Dazu ist auf der Abszisse die Drainspannung V_D in Volt und auf der Ordinate die Sperrstromdichte I_D pro Zelle in logarithmischem Maßstab aufgetragen. Bei einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstopp wird in diesem Beispiel der "snap back effect" bereits bei 10^–6 A/μm² wirksam. Diese Stromdichte ist mit einer gestrichelten Linie in dem Diagramm gekennzeichnet. Die Sperrfähigkeit des Leistungshalbleiterbauelements im Avalanchefall ist demnach für herkömmliche Leistungshalbleiterbauelemente begrenzt. Die Leistungshalbleiterbauelemente mit einer Feldstoppzonendotierung von 2,05·10¹⁶ cm^–3 (äußerst rechte Kurve) bis 2,4·10¹⁶ cm^–3 verfügen über eine Spannungsreserve, so dass der snap back effect deutlich bei höheren Avalanchestromdichten auftritt. Dabei ist auffällig, dass bei einer minimalen Überdotierung von nur 2,5 Prozent der äußerst rechten Kurve im Diagramm eine größere Spannungsreserve zur Verfügung steht als bei einer Dotierstoffüberhöhung im Feldstoppbereich von 20 Prozent.
3 zeigt ein schematisches Diagramm mit Nettodotierstoffprofilen a bis f unterschiedlich dotierter Feldstoppzonen. Die Nettodotierstoffkonzentration N ist in linearem Maßstab auf der Ordinate und die Tiefe t in Mikrometern auf der Abzisse aufgetragen. Dabei zeigt das Dotierstoffprofil a zwei stufenförmige Übergänge 14 und 13. Die übrigen Nettodotierstoffprofile b bis f weisen nur einen einzigen stufenförmigen Übergang 13 von der Substratdotierung zur Feldstoppzonendotierung auf. Der Übergang 14 ist ein gradueller Übergang entsprechend einem Gauss-Diffusionsprofil. Dieses stellt sich ein, wenn nach einer Dotierung einer epitaxial aufgebrachten Feldstoppzone weitere Hochtemperaturprozesse folgen, wie das Aufwachsen einer weiteren Epitaxieschicht für die Driftstrecke oder ein Hochtemperaturprozess zum Ausdiffundieren von Dotierstoffen aus der vorher aufgebrachten Feldstoppzone.
Derartige Profile b bis f können auch dadurch gebildet werden, dass für den Substratbereich ein Donator mit niedrigem Diffusionskoeffizienten wie Arsen eingesetzt wird und vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht in die Oberfläche des Substratbereichs ein Donator mit hohem Diffusionskoeffizienten wie Phosphor implantiert wird. Dann entsteht automatisch ausgehend von der Oberseite des Substratbereichs ein Diffusionsprofil in der darauf wachsenden Epitaxieschicht, das zunächst eine Feldstoppzone bildet und mit zunehmend wachsendem Epitaxiematerial unter die Grunddotierung der Epitaxie, die hier 2·10¹⁶ cm^–3 beträgt, fällt.
4 zeigt ein schematisches Diagramm mit den Avalanchestromdichten I_D pro Zelle im Bereich von Durchbruchskennlinien der in 3 gezeigten Nettodotierstoffprofile a bis f. Dazu ist die Avalanchestromdichte I_D auf der Ordinate in logarithmischem Maßstab abgebildet und die Drainspannung V_D in Volt auf der Abzisse aufgetragen. In dieser Darstellung dient als Referenz das Nettodotierstoffprofil a mit einem stufenförmigen Übergang und einer Dotierstoffüberhöhung von 10 Prozent. Auch hier ist deutlich zu sehen, dass zunächst eine Spannungsreserve vorhanden ist, ehe der snap back effect einsetzt. Bei der gleichen Nettodotierstoffüberhöhung von 10 Prozent, jedoch mit graduellem Abfall zu der Dotierstoffkonzentration der Driftzone, ergibt sich eine deutlich größere Spannungsüberhöhung im Avalanchefall, bevor der zerstörerische snap back effect einsetzen kann. Die höchste mögliche Avalanchestromdichte in diesem Vergleich zeigt die Dotierstoffkurve f, die graduell bei einer Dotierstoffüberhöhung von 50 Prozent mit einer Dotierstoffkonzentration N von 3·10¹⁶ cm^–3 und einem graduellen Dotierstoffabfall auf die Dotierstoffkonzentration der Driftzellen von 2·10¹⁶ cm^–3 eine Avalanchestromdichte von etwa 5·10^–4 A/Zelle erreicht, ohne dass das Leitungshalbleiterbauelement durch den snap back effect beschädigt wird.
5 zeigt ein schematisches Diagramm von Sperrstromkennlinien bis in den Bereich der Durchbruchskennlinien im Avalanchefall für ein Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone. Dazu ist auf der Abszisse die Drainspannung V_D und auf der Ordinate der Drainsperrstrom I_D pro Zelle im logarithmischen Maßstab in Ampere pro Zelle (A/Zelle) aufgetragen. Für beide Fälle wird das Durchbruchsverhalten bei hoher Stromdichte und bei niedriger Stromdichte untersucht. Dazu ist bemerkenswert, dass bei niedriger Stromdichte die Durchbruchskennlinien für Leistungshalbleiterbauelemente mit und ohne Feldstoppzone parallel verlaufen und erst bei hohen Stromdichten die Durchbruchskennlinien auseinander driften, indem in Leistungshalbleiterbauelementen mit Feldstoppzone eine Spannungsreserve aufgebaut wird, während beim Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone ein Abknicken in Richtung auf eine Schädigung des Leistungshalbleiterbauelements aufgrund des snap back effects zu beobachten ist, da die Drainspannung V_D zusammenbricht.
6 zeigt ein schematisches Diagramm des Verlaufs der elektrischen Feldstärke für ein Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone im Vergleich zu einem Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone. Auf der Abszisse ist diesmal die Eindringtiefe t in Mikrometern (μm) dargestellt und auf der Ordinate die Feldstärke in V/cm·10⁵ abgebildet. Die durchgezogenen Linien zeigen den Feldverlauf, der sowohl für das Leistungshalbleiterbauelement ohne Feldstoppzone als auch für das Leistungshalbleiterbauelement mit Feldstoppzone einen höchsten Wert im Oberflächennahen Bereich beim Übergang zwischen Bodyzone und Sourcezone aufweist, aber ansonsten für beide Leistungshalbleiterbauelemente gleichlaufend ist. Die Raumladungszone kann sich jedoch tiefer in den Halbleiterkörper ausbreiten, wenn eine Feldstoppzone vorgesehen ist. Noch deutlicher wird dies, wenn die Feldstärke über der Eindringtiefe für höhere Stromdichten, welche durch die gestrichelten Kurven gekennzeichnet ist, betrachtet wird. Während ohne Feldstoppzone die gleiche Tiefe auch für hohe Stromdichten erreicht wird, reicht der Feldverlauf für Leistungshalbleiterbauelemente mit Feldstoppzone tiefer in den Halbleiterkörper hinein, so dass sich eine höhere Spannungsreserve ergibt.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Leistungshalbleiterbauele ment 1 weist einen Halbleiterkörper 5 mit einer Oberseite 15 und einer Unterseite 24 auf, der aus einem Substratbereich 8, einer auf der Oberseite 25 des Substratsbereichs angeordneten Feldstoppzone 11 und einer darüber angeordneten Driftstrecke 6 und einer schließlich bis zur Oberseite 15 des Halbleiterkörpers 5 reichenden Bodyzone 7 aufgebaut ist. Auf der Oberseite 15 des Halbleiterkörpers ist eine Sourceelektrode S angeschlossen, während auf der Unterseite 24 des Halbleiterkörpers 5 in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Drainelektrode D vorhanden ist. Die Driftstrecke 6 weist im Wechsel Ladungskompensationszonen 4 und Driftzonen 9 auf, wobei in den Driftzonen 9 im Durchgangsfall ein Strompfad 10 ausgebildet wird, der im Sperrfall durch die Ladungskompensationszonen 4 eingeengt und abgeschnürt wird.
Über der Driftstrecke 6 ist die Bodyzone 7 in einem komplementär zu den Driftzonen 9 leitenden Material einer Bodyzone 7 angeordnet, durch die sich eine vertikale Gatestruktur in einem Graben 21 erstreckt. Die Gatestruktur weist ein Gateoxid 22 und ein Gateelektrodenmaterial 23 vorzugsweise aus polykristallinem Silizium auf, das den Graben 21, bis zu einer Oxidkappe 26 auffüllt, die das Gateelektrodenmaterial 23 der Gateelektrode G von der Sourceelektrode S isoliert. In dieser Ausführungsform der Erfindung ragt die Feldstoppzone 11 mit einer etwa zehnprozentigen Nettodotierstoffüberhöhung in die Driftzonen 9 hinein, so dass die Feldstoppzone 11 zwischen den Kompensationszonen 4 im unteren Bereich der Driftstrecke 6 angeordnet ist. Dieses liefert die vorher diskutierten Vorteile, wie sie mit Hilfe der Diagramme 1 bis 6 verdeutlicht wurden. Dabei kann die Ladungskompensationszone 4 beispielsweise auch nur bis zur strichpunktierten Linie reichen und damit die Feldstoppzone 11 lediglich berühren oder sie kann so tief reichen, dass sie sich bis in den Substratbereich 8 erstreckt, wie es mit der gestrichelten Linie markiert wird. Die unterschiedlichen Herstellungsverfahren, mit denen ein derartiges Leistungshalbleiterbauelement gefertigt werden kann, sind bereits oben erörtert worden, so dass sich eine erneute Darstellung erübrigt.
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass nun die Nettodotierstoffkonzentration in den Ladungskompensationszonen 4 in Abhängigkeit von der Tiefe derart variiert wird, dass in einem mittleren Schichtbereich 20 die Nettodotierstoffkonzentration der Driftzonen 9 der Nettodotierstoffkonzentration der Ladungskompensationszonen 4 entspricht, so dass die Driftstreckenschichtdotierung ausgeglichen ist. Dagegen ist eine Ladungsträgerüberhöhung in den Ladungskompensationszonen 4 um beispielsweise 20 % in der Nähe der Bodyzone und eine Ladungsträgerverminderung um 20 % in der Nähe des Substratbereichs vorgesehen. Dadurch ergibt sich ein Feldstärkemaximum im mittleren Schichtbereich 20 der Ladungskompensationszonen 4. Demgegenüber bleibt die Nettodotierstoffkonzentration in den Driftzonen 9 konstant bis die Feldstoppzone 11 erreicht wird.
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Zelle eines Leistungshalbleiterbauelements 3 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht näher erläutert. Der Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass die Ladungskompensationszonen 4 in einer Grabenstruktur 16 angeordnet sind, wobei die Seitenwände 17 und 19 sowie die Bodenwand 18 mit einem komplementären Leitungstyp zu den Driftzonen 9 dotiert sind, während das Grabenvolumen selbst durch ein Dielektrikum i aufgefüllt ist.
Da eine derartige Grabenstruktur 16 beliebig tief in den Halbleiterkörper 5 eingebracht werden kann, sind die in 1 gezeigten Möglichkeiten der Tiefenvariation besonders einfach mit derartigen Grabenstrukturen 16 zu verwirklichen. Ein weiterer Vorteil ist es, dass zum Aufbau der Driftstrecke 6 lediglich eine Epitaxieschicht auf der Oberseite der Feldstoppzone 11 aufzuwachsen ist und die Grabenstruktur 16 durch einen einzelnen Ätzschritt in beliebige Tiefen bis hin zum Substratbereich 8 geätzt werden kann. Die Techniken, mit denen das möglich ist, wurden oben bereits aufgelistet, so dass sich eine Wiederholung erübrigt. Auch weitere Varianten, wie derartige Grabenstrukturen 16 zu reinigen und zu gestalten sind, wurden bereits oben diskutiert und werden deshalb hier nicht noch einmal wiederholt.
Für alle drei Ausführungsformen gemäß 7, 8 und 9 gilt, dass die Epitaxieschicht außer in der Randzone der Leistungshalbleiterbauelemente 1, 2 und 3 aufgewachsen und gegenüber den Driftzonen 9 überhöht dotiert wird. Diese Dotierstoffüberhöhung liegt zwischen 2 % und 50 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 20 %.

1: Leistungshalbleiterbauelement (1.Ausführungsform)
2: Leistungshalbleiterbauelement (2.Ausführungsform)
3: Leistungshalbleiterbauelement (3.Ausführungsform)
4: Ladungskompensationszone
5: Halbleiterkörper
6: Driftstrecke
7: Bodyzone
8: Substratbereich bzw. Substrat
9: Driftzone
10: Strompfad
11: Feldstoppzone
12: stufenförmiger Übergang
13: Nettodotierstoff Übergang
14: Nettodotierstoff Übergang
15: Oberseite des Halbleiterkörpers
16: Grabenstruktur
17: Wand der Grabenstruktur
18: Bodenwand
19: Wand der Grabenstruktur
20: mittlerer Schichtbereich
21: Graben für Gatestruktur
22: Gateoxid
23: Gateelektrodenmaterial
24: Unterseite des Halbleiterkörpers
25: Oberseite des Substrats bzw. des Substratbereichs
26: Oxidkappe
t: Tiefe
S: Source
D: Drain
G: Gate

Claims

Leistungshalbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1) in einem Halbleiterkörper (5) eine Driftstrecke (6) zwischen einer Bodyzone (7) und einem Substratbereich (8) aufweist, und die Driftstrecke (6) Driftzonen (9) eines ersten Leitungstyps (n) aufweist, die einen Strompfad (10) der Driftstrecke (6) zwischen der Bodyzone (7) mit einem Leitungstyp (p) komplementär zum ersten Leitungstyp (n) und dem Substratbereich (8) mit erstem Leitungstyp (n) bereitstellen, und Ladungskompensationszonen (4) mit komplementärem Leitungstyp (p) aufweist, die den Strompfad (10) der Driftstrecke (6) einengen, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1) eine Feldstoppzone (11) mit erstem Leitungstyp (n) aufweist, die auf dem Substratbereich (8) angeordnet ist, und wobei die Nettodotierstoffkonzentration (N) der Feldstoppzone (11) niedriger als die des Substratbereichs (8) und höher als die der Driftzonen (6) ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstoppzone (11) unterhalb der Ladungskompensationszonen (4) und der Driftzonen (9) der Driftstrecke (6) auf dem Substratbereich (8) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstoppzone (11) in die Driftzonen (9) derart hineinragt, dass sie teilweise zwischen den Ladungskompensationszonen (4) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstoppzone (11) in die Driftzonen (9) derart hineinragt, dass sie größtenteils zwischen den Ladungskompensationszonen (4) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstoppzone (11) in die Driftzonen (9) derart hineinragt, dass sie vollständig zwischen den Ladungskompensationszonen (4) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nettodotierstoffkonzentration (N_F) der Feldstoppzone (11) von dem Substratbereich (8) zu den Diffusionszonen (9) hin abrupte stufenförmige Übergänge (12) mit mindestens einem Nettodotierstoffkonzentrationsübergang (13) zwischen dem Substratbereich (8) und der Feldstoppzone (11) und einem zweiten Nettodotierstoffkonzentrationsübergang (14) zwischen Feldstoppzone (11) und Driftzonen (9) aufweist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nettodotierstoffkonzentration (N_F) der Feldstoppzone (11) von einer Nettodotierstoffkonzentrationsstufe am Übergang zum Substratbereich (8) zu der Nettodotierstoffkonzentration (N_D) der Diffusionszonen (9) graduell abnimmt.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 6, die Nettodotierstoffkonzentration (N_F) der Feldstoppzone (11) ein Diffusionsprofil aufweist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Nettodotierstoffkonzentration (N_F ₎ der Feldstoppzone (11) um 2 % ≤ (N_F/N_D)·100 % ≤ 200 %, vorzugsweise um 5 % ≤ (N_F/N_D)·100 % ≤ 50 % höher ist als die Nettodotierstoffkonzentration N_D der Driftzonen (9).
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Nettodotierstoffkonzentration N_F der Feldstoppzone (11) insbesondere die Werte N_F = 3·10¹⁶ cm^–3 bis 5·10¹⁶ cm^–3 nicht übersteigt.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (4) und die Driftzonen (9) streifenförmig nebeneinander angeordnet sind.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (4) und die Driftzonen (9) säulenförmig nebeneinander angeordnet sind.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (5) einen hochdotierten Substratbereich (8) des ersten Leitungstyps (n) aufweist, auf dem eine dotiert aufgewachsene Epitaxieschicht angeordnet ist, welche die Nettodotierstoffkonzentration (N) der Feldstoppzone (11) aufweist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (5) einen hochdotierten Substratbereich (8) des ersten Leitungstyps (n) aufweist, auf dem eine undotiert aufgewachsene Epitaxieschicht angeordnet ist, in die der Dotierstoff der Feldstoppzone (11) implantiert oder eindiffundiert ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (5) zwischen der Driftstrecke (6) und dem Substratbereich (8) eine Pufferzone aus Feldstoppzonenmaterial aufweist, wobei sich die Ladungskompensationszonen (4) in ihrer Tiefe von der Oberseite (15) des Halbleiterköpers (5) bis zu der Pufferzone erstrecken.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Driftstrecke (6) aufeinander undotiert aufgewachsene Epitaxieschichten aufweist, die in den Bereichen der Driftzonen (9) und der Ladungskompensationszonen (4) entsprechend selektiv implantierte und/oder diffundierte Dotierstoffkonzentrationen aufweisen.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (1) in dem Halbleiterkörper (5) eine Grabenstruktur (16) in Form von Trenches aufweist, in der die Ladungskompensationszonen (4) angeordnet sind.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (4) mit komplementärem Leitungstyp (p) in die Wände (17, 18, 19) der Grabenstruktur (16) implantiert und/oder eindiffundiert sind.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungskompensationszonen (4) mit komplementärem Leitungstyp (p) auf die Wände (17, 18, 19) der Grabenstruktur (16) epitaxial aufgewachsen sind.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Grabenstruktur (16) zusätzlich mit einem dielektrischen Material aufgefüllt ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die komplementär dotierten Wände (17, 18, 19) der Gra benstruktur (16) zu dem aufgefüllten Material in der Grabenstruktur (16) hin eine diffusionshemmende kristalline Schicht aufweist, die kubisch flächenzentriertes SiC aufweist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (1) eine Randstruktur aufweist, die frei von einer Feldstoppzone (11) ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Randstruktur im Randbereich des Halbleiterkörpers (5) des Leistungshalbleiterbauelements (1) angeordnet ist und mindestens eine floatende komplementär dotierte Randkompensationszone entlang dem Rand des Leistungshalbleiterbauelements (1) aufweist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstruktur eine Randpassivierungsschicht aufweist, die ein Halbleiteroxid, ein Halbleiternitrid, ein DLC, ein EOX und/oder ein Siliziumkarbid aufweist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nettodotierstoffkonzentration (N) in den Ladungskompensationszonen (4) in Abhängigkeit von der Tiefe (t) variiert und in einem mittleren Schichtbereich (20) der Nettodotierstoffkonzentration (N) der Driftzonen (9) derart entspricht, dass die Driftstreckenschichtdotierung ausgeglichen ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement (1) eine Grabenstruktur (21) mit vertikalem Gateoxid (22) aufweist, die von Gateelektrodenmaterial (23) aufgefüllt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements (1), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines dotierten Substratbereichs (8) für einen Halbleiterkörper (5) mit Oberseite (15) und Rückseite (24); – Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone (11) auf dem Substratbereich (8) für eine geringere Dotierstoffkonzentration (N) als der Substratbereich (8); – Aufwachsen von Epitaxieschichten im Wechsel mit selektivem Dotieren der Epitaxieschichten für eine Driftstreckenstruktur (6); – Herstellen einer Oberseitenstruktur und/oder einer Rückseitenstruktur in und/oder auf dem Halbleiterkörper (5) zur Fertigstellung des Leistungshalbleiterbauelements (1); – Aufbringen von Elektroden (S, D, G) auf die Oberseitenstruktur und die Rückseitenstruktur.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements (2), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines dotierten Substratbereichs (8) für einen Halbleiterkörper (5) mit Oberseite (15) und Rückseite (24); – Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone (11) auf dem Substratbereich (8) für eine geringere Dotierstoffkonzentration (N) als der Substratbereich (8) – Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Driftstrecke (9) mit geringerer Dotierstoffkonzentration als die Feldstoppzone (11); – Einbringen einer Grabenstruktur (16) in die Epitaxieschicht mit einer Grabenzonentiefe (t) bis zur Feldzone (11) oder tiefer in die Feldzone (11) hinein; – Einbringen mindestens einer Seitenwanddotierung der Grabenstruktur (16) mit Nachdiffusion zur Strukturierung der Driftstrecke (6); – Auffüllen der Grabenstruktur (16) mit einem dielektrischen Material; – Herstellen einer Oberseitenstruktur und/oder einer Rückseitenstruktur in und/oder auf dem Halbleiterkörper (5) zur Fertigstellung des Leistungshalbleiterbauelements (2); – Aufbringen von Elektroden (S, G, D) auf die Oberseitenstruktur und die Rückseitenstruktur.
Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements (3), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines dotierten Substratbereichs (8) für einen Halbleiterkörper (5) mit Oberseite (15) und Rückseite (24); – Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone (11) auf dem Substratbereich (8) für eine geringere Dotierstoffkonzentration (N) als der Substratbereich (8); – Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Driftstreckenstruktur (6) mit geringerer Dotierstoffkonzentration (N) als die Feldstoppzone (11); – Einbringen einer Grabenstruktur (16) in die Epitaxieschicht für eine Grabenzonentiefe (t) bis zur Feldzone (11) oder in die Feldzone (11) hinein; – Aufwachsen mindestens einer Epitaxieschicht unter Auffüllen der Grabenstruktur (16) für die Driftstreckenstruktur (6); – Herstellen einer Oberseitenstruktur und/oder einer Rückseitenstruktur in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung des Leistungshalbleiterbauelements (3); – Aufbringen von Elektroden (S, D, G) auf die Oberseitenstruktur und die Rückseitenstruktur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratdotierung ein langsam in einem Halbleiterkörper (5) diffundierender Donator vorzugsweise Arsen verwendet wird und vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht für eine Feldstoppzone (11) in die Oberseite (25) des dotierten Substratbereichs (8) zusätzlich ein schnell diffundierender Donator vorzugsweise Phosphor implantiert wird, so dass beim anschließenden Aufwachsen der Epitaxieschicht der zusätzliche Donator in die wachsende Epitaxieschicht eindiffundiert und sich eine graduelle Überhöhung der Dotierung für die Feldzone (11) mit graduell abnehmendem Diffusionprofil zur Driftzone hin ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Implantieren eines zusätzlichen Donators die Randbereiche mit einer Ionenimplantationsmaske abgedeckt werden, so dass beim nachfolgenden Aufwachsen einer Epitaxieschicht für die Feldstoppzone (11) keine Feldstoppzone (11) in den abgedeckten Randbereichen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dotierung der Epitaxieschicht für die Feldstoppzone (11) eine Rückseitendiffusion mit Wasserstoff und anschließend eine Temperung bei erhöhter Temperatur erfolgt, so dass zusätzliche n-dotierte Störstellen insbesondere im Bereich der Feldstoppzone (11) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dotierung der Epitaxieschicht für die Feldstoppzone (11) Störstellen in den oberseitennahen Bereich des Substrats (8) eingebracht werden, deren Diffusionskoeffizient größer als der Diffusionskoeffizient der Störstellen auf Substitutionsgitterplätzen im Substrat (8) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratbereich (8) eines Halbleiterkörpers (5) zur gleichzeitigen Herstellung von mehreren Leistungshalb leiterbauelementen (1) ein hochdotierter Halbleiterwafer eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Mehrzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Leistungshalbleiterchippositionen eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dotieren der Grabenstrukturwände (17, 18, 19) eine Dotierstoffschicht vorzugsweise ein Dotierstoffglas mit Dotierstoffatomen des komplementärem Leitungstyp (p) für Ladungskompensationszonen (4) auf den Grabenwänden (17, 18, 19) abgeschieden und anschließend der Dotierstoff dieser Schicht zur Bildung der Ladungskompensationszonen (4) in die Grabenwände (17, 18, 19) eindiffundiert wird und nach einem Diffusionsschritt die Dotierstoffschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps (n) für die Driftstrecke (6) auf dem Substratbereich (8) oder auf die Feldstoppzone (11) eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur (16) aufgebracht wird, die einen Ätzstopp ermöglicht und vorzugsweise ein Halbleiteroxid oder Halbleiternitrid aufweist, wobei die Struktur der Hilfsschicht in den Bereichen der zu ätzenden Grabenstruktur (16) in einer derartige Feinstruktur aufgebracht wird, dass ein laterales monokristallines Überwachsen der Feinstruktur ermöglicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (16) in die Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps (n) eine Ätzmaske mit streifenförmigen Mustern im Bereich der Driftstrecke (6) photolithographisch aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (16) in die Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps (n) eine Ätzmaske mit quadratischen oder hexagonalen Mustern im Bereich der Driftstrecke (6) photolithographisch aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (16) eine anisotrope Ätzung der Grabenstruktur (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (16) eine anisotrope reaktive Ionenätzung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (16) eine gerichtete Plasmaätzung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen der Grabenstruktur (16) eine gerichtete Plasmaätzung mit Endpunktdetektion durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Grabenstruktur (16) und vor dem Dotieren der Grabenwände (17, 18, 19) die Oberflächen der Grabenstruktur chemisch gereinigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Grabenstruktur (16) und vor dem Dotieren der Grabenwände (17, 18, 19) die gesamte Oberfläche des Halbleiterkörpers oxidiert und anschließend die Oxidschicht weggeätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen der Grabenstruktur (16) und vor dem Dotieren der Grabenwände (17, 18, 19) diese mittels eines Wasserstoff-Temperschrittes geglättet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochdotierte komplementär leitende monokristalline Schicht zum Dotieren der Grabenstrukturwände (17, 18, 19) zu Ladungskompensationszonen mit einer Dicke d zwischen 100 nm ≤ d ≤ 1000 nm, vorzugsweise 200 nm ≤ d ≤ 600 nm aufgewachsen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Dotieren der Grabenstrukturwände (16) zu Ladungskompensationszonen eine Vordotierung aus der Gasphase mit anschließender Nachdiffusion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Dotieren der Grabenstrukturwände (16) zu Ladungskompensationszonen (4) eine diffusionshemmende Schicht aus amorphem Silizium oder eine Schicht kubisch flächenzentriertes Siliziumcarbid auf den Flächen der Grabenstruktur (16) in einer Dicke 10 nm ≤ d ≤ 300 nm, vorzugsweise 50 nm ≤ d ≤ 150 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht oder dem Eindiffundieren eines Dotierstoffs des komplementären Leitungstyps (p) in der Grabenstruktur (16) die Grabenwände (17, 18, 19) derart geätzt werden, dass sie eine Schräge aufweisen, so dass die Breite der Grabenstruktur (16) an der Oberseite des Halbleiterkörpers (5) größer als im Bodenwandbereich (18) der Grabenstruktur (16) wird.