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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterkörpers mit einer Grund-Dotierstoffkonzentration kleiner als 1014 cm–3.
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Durch Dotieren eines Halbleiterkörpers können darin Halbleiterzonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, d. h. pn-Übergänge, ausgebildet werden. Damit lassen sich eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen wie MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), Bipolartransistoren, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), Thyristoren oder auch Dioden realisieren.
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DE 10 2004 030 573 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterelementen. Kernidee des Verfahrens ist, dass in einem Behandlungsbereich eine wasserstoffkorrelierte Dotierung ausgebildet ist, wobei als Behandlungsbereich oder als Teil davon ein Bereich oder ein Teil davon gewählt wird, der außerhalb des oder eines ersten oder inneren zusammenhängenden Gebiets liegt, welches die jeweilige integrierte Halbleiterschaltungsanordnung, nicht aber die jeweiligen zugehörigen Trennzonen enthält, und der innerhalb des oder eines zweiten oder äußeren zusammenhängenden Gebiets liegt, welches die jeweilige integrierte Halbleiterschaltungsanordnung und auch die jeweiligen zugehörigen Trennzonen enthält.
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DE 102 40 107 A1 beschreibt einen Randabschluss für Leistunghalbleiterbauelemente, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine mit dem Verfahren hergestellte Diode. Hierbei wird vorgeschlagen, einen solchen Randabschluss oder allgemein eine n-leitende Zone in einem Halbleiterkörper durch Protonenbestrahlung und anschließende Temperaturbehandlung herzustellen.
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DE 196 40 311 A1 beschreibt ein Halbleiterbauelement mit Lateralwiderstand bestehend aus einem Halbleiterkörper mit mindestens einem integrierten Lateralwiderstand, wobei sich der Lateralwiderstand aus der Dotierungskonzentration im Widerstandsbereich ergibt. Der Widerstandsbereich befindet sich in einem von der Oberfläche des Halbleiterbauelements zugänglichen Bereich und besitzt eine definierte Dotierungskonzentration. Zusätzlich sind Streuzentren im Bereich des Lateralwiderstandes vorgesehen, welche die Temperaturabhängigkeit des Lateralwiderstandes erniedrigen.
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DE 10 2004 039 208 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen n-dotierten Halbleiterzone in einem Halbleiterkörper und Halbleiterbauelement. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- a) Erzeugen einer Sauerstoffkonzentration wenigstens in dem zu dotierenden Bereich in dem Halbleiterkörper,
- b) Bestrahlen des Halbleiterkörpers über eine Seite mit nicht-dotierenden Teilchen zur Erzeugung von Defekten in dem zu dotierenden Bereich,
- c) Durchführen eines Temperaturschrittes bei Temperaturen zwischen 380°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 420°C und 460°C.
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Für Halbleiterbauelemente mit Sperrspannungen im Bereich von einigen 100 V bis einige kV oder einige 10 kV sind einerseits niedrige Dotierstoffkonzentrationen des Ausgangsmaterials wünschenswert, die jedoch auch andererseits mit geeigneter Homogenität realisiert werden sollten, um eine spezifizierte Zuverlässigkeit des jeweiligen Halbleiterbauelements oder auch eine erforderliche Ausbeute bei der Herstellung des jeweiligen Halbleiterbauelements zu erzielen. Wünschenswert ist daher ein Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterkörpers, das günstige Eigenschaften im Hinblick auf die Homogenität der hiermit erzielbaren Dotierstoffkonzentration ermöglicht.
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Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterkörpers mit einer Dotierstoffkonzentration kleiner als 1014 cm–3 an mit den Merkmalen Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Elektronen zur Erzeugung von darin homogen verteilten Defekten, Einbringen eines Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung in den Halbleiterkörper und Aktivieren der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren, wobei die Dotierstoffkonzentration durch die Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren festgelegt wird, und wobei das Aktivieren der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren beim Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Defekt-korrelierte Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung dadurch erfolgt, dass der Halbleiterkörper erhitzt wird, oder durch einen dem Einbringen des Elements oder der Elementverbindung nachfolgenden thermischen Ausheilschritt des Halbleiterkörpers.
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Bei dem Halbleiterkörper kann es sich beispielsweise um eine Halbleiterscheibe, d. h. einen Wafer, handeln. Dieser Wafer kann vor der Bestrahlung mit Elektronen bereits weiteren Prozessschritten, z. B. im Rahmen der Ausbildung eines Halbleiterbauelements, ausgesetzt worden sein. Die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Elektronen erfolgt beispielsweise derart, dass die hiermit erzeugten Defekte im Halbleiterkörper möglichst homogen verteilt sind. Hierzu kann etwa die Energie des Elektronenstrahls auf die vom Material des Halbleiterkörpers abhängige Reichweite abgestimmt werden. Bei den im Halbleiterkörper erzeugten Defekten kann es sich etwa um Leerstellen handeln, z. B. um Leerstellen in einem Siliziumgitter. Diese Leerstellen können Leerstellenkomplexe oder auch Komplexe mit anderen in der Halbleiterscheibe vorhandenen Defekten bilden. Eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Elektronen kann hierbei über eine Oberfläche des Halbleiterkörpers oder auch sequentiell über gegenüberliegende Oberflächen des Halbleiterkörpers erfolgen. Durch geeignete Wahl von Elektronendosis und Elektronenenergie kann eine vorteilhafte vertikale Homogenität der zur Ausbildung der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren benötigten Defekte erzielt werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Aktivieren der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren beim Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung dadurch, dass der Halbleiterkörper erhitzt wird.
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Alternativ erfolgt das Aktivieren der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren erfindungsgemäß durch einen dem Einbringen des Elements oder der Elementverbindung nachfolgenden thermischen Ausheilschritt des Halbleiterkörpers.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Elektronen vor dem Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung. Diese Ausführungsform bietet beispielsweise dann Vorteile, falls das Einbringen der Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elemente oder Elementverbindungen bei bereits im Halbleiterkörper vorhandenen Defekten homogener erfolgen kann, z. B. durch eine verstärkte Diffusion aufgrund der Defekte.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Elektronen nach dem Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung. Eine solche Ausführungsform bietet beispielsweise dann Vorteile, falls die die Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elemente oder Elementverbindungen in einem defektarmen Halbleiterkörper stärker diffundieren als in einem defektreichen Halbleiterkörper, da dann eine vorteilhafte Homogenität der Elemente oder Elementverbindungen im Halbleiterkörper erzielt werden kann. Wählt man beispielsweise Wasserstoff zur Ausbildung von Wasserstoff-korrelierten Donatoren in einem mit Leerstellen versetzten Siliziumgitter, so lässt sich beim Einbringen des Wasserstoffs in das Siliziumgitter mit einer nachgelagerten Bestrahlung des Siliziumkristalls mit Elektronen eine schnellere Verteilung des Wasserstoffs im Silizium erzielen, da atomarer Wasserstoff in defektarmem Silizium schneller diffundiert als in defektreichem Silizium.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung mit wenigstens einem der Verfahren Plasmabehandlung, Temperung und Diffusion aus einer Feststoffquelle. Bei einer Plasmabehandlung wird das Element oder die Elementverbindung über ein Plasma in den Halbleiterkörper eingebracht. Bei der Temperung liegt das Element oder die Elementverbindung in einer den Halbleiterkörper umgebenden Atmosphäre gasförmig vor und wird über die Gasphase in den Halbleiterkörper eingebracht. Bei der Diffusion aus einer Feststoffquelle wird ein das Element oder die Elementverbindung enthaltender Feststoff auf den Halbleiterkörper aufgebracht und über einen thermischen Schritt erfolgt eine Diffusion des Elements oder der Elementverbindung aus dem Feststoff in den Halbleiterkörper.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Bestrahlen mit Elektronen zur Erzielung einer lokalen Bestrahlung eine Elektronen-abschirmende Maske auf den Halbleiterkörper aufgebracht. Hiermit können die Defekte definiert in bestimmten Bereichen des Halbleiterkörpers erzeugt werden. Somit lässt sich beispielsweise eine lokale Dotierung durch Defekt-korrelierte Donatoren oder Akzeptoren im Halbleiterkörper erzielen.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt nach dem Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung ein Ätz- und Reinigungsschritt wenigstens der Oberfläche, über die das Element oder die Elementverbindung eingebracht wurde. Hiermit lassen sich beispielsweise Defekte an der Oberfläche des Halbleiterkörpers entfernen, die beim Einbringen des Elements oder der Elemente erzeugt wurden, z. B. Plasmaschädigungen an der Oberfläche oder die verbleibende Feststoffquelle, aus der das Element oder die Elementverbindung in den Halbleiterkörper eingebracht wurde.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Temperatur und/oder Dauer beim thermischen Ausheilen des Halbleiterkörpers derart niedrig gehalten, dass im Halbleiterkörper erzeugte Defekte zur Erniedrigung einer Minoritätsträgerlebensdauer verbleiben. Somit ermöglicht diese Ausführungsform ein kombiniertes Dotieren und Einstellen der Minoritätsträgerlebensdauer. Hierfür typische Temperaturen liegen im Bereich zwischen 200 °C und 400 °C.
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In einer weiteren Ausführungsform entspricht das in den Halbleiterkörper eingebrachte Element einem der Elemente Wasserstoff und Stickstoff. Bei dem Halbleiterkörper kann es sich beispielsweise um einen Halbleiterkörper aus Silizium handeln. Wasserstoff bildet in Silizium Defekt-korrelierte Donatoren aus, wobei die Defekte etwa in Form von Leerstellen im Siliziumgitter durch Elektronenbestrahlung des Halbleiterkörpers bei geeigneter Wahl der Bestrahlungsbedingungen möglichst homogen erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Grund-Dotierstoffkonzentration des Halbleiterkörpers kleiner als 1 × 1014 cm–3 gewählt. Als Grund-Dotierstoffkonzentration wird hierin die Dotierstoffkonzentration eines Halbleiterwafers bezeichnet, in den in zusätzlichen, beispielsweise vorher durchgeführten Prozessschritten dotierte Halbleiterzonen zur Definition von Halbleiterbauelementen ausgebildet werden können. Eine derart niedrige Dotierstoffkonzentration in Silizium eignet sich beispielsweise zur Ausbildung von Bauelementen mit hohen Sperrspannungen im Bereich von einigen 100 V bis einige 10 kV. Bei derart geringen Dotierstoffkonzentrationen ermöglicht eine Dotierung mittels Defekt-korrelierter Donatoren und/oder Akzeptoren auf Basis der über Elektronenbestrahlung erzeugten Defekte eine sehr homogene Dotierstoffkonzentration. Dies wirkt sich sowohl auf die Zuverlässigkeit der hiermit hergestellten Bauelemente als auch auf die Prozessausbeute günstig aus.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein Bestrahlen mit Elektronen mit Dosen im Bereich von 0.1 bis 500 kGy. Das Bestrahlen mit Elektronen kann beispielsweise in einem Energiebereich von 4 MeV bis 20 MeV erfolgen. Obgleich der hierin angegebene Dosisbereich und Energiebereich beispielsweise für Silizium als Halbleiterkörper geeignete Voraussetzungen zur Dotierung mit Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren bietet, können von Si abweichende weitere Halbleitermaterialien, die andere Absorptionseigenschaften bezüglich Elektronenbestrahlung aufweisen, hiervon abweichende Dosis- und Energiebereiche einnehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das thermische Ausheilen bei Temperaturen im Bereich von 220 °C bis 550 °C über eine Zeitspanne im Bereich von 15 Minuten bis 20 Stunden.
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Neben Silizium kann der Halbleiterkörper beispielsweise auch aus Galliumarsenid gebildet sein. Selbstverständlich können auch hiervon abweichende Materialien für den Halbleiterkörper verwendet werden, sofern in diesen Materialien Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren erzeugt werden können.
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Ein weiteres dem Verständnis der Erfindung dienendes Beispiel eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers aus Silizium enthält die Merkmale Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Elektronen zur Erzeugung von Defekten darin, Einbringen von Wasserstoff in den Halbleiterkörper und Aktivieren der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren.
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In einem dem Verständnis der Erfindung dienenden Beispiel erfolgt die Aktivierung während des Einbringens des die Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung oder während eines thermischen Ausheilschrittes im Halbleiterkörper.
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Ein weiteres dem Verständnis der Erfindung dienendes Beispiel betrifft ein Verfahren zum Korrigieren einer Dotierstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper bei der Ausbildung eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen Ausführen wenigstens derjenigen Prozessschritte zum Ausbilden des Halbleiterbauelements, die eine im Vergleich zu einer Temperatur beim thermischen Ausheilen des Halbleiterkörpers zum Ausbilden der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren höhere Temperatur erfordern, Anheben und/oder Absenken der Netto-Dotierungskonzentration im Halbleiterkörper über Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren sowie Fertigstellen des Halbleiterbauelements. Hiermit lässt sich beispielsweise eine Grund-Dotierstoffkonzentration im Halbleitersubstrat oder auch eine Dotierstoffkonzentration innerhalb weiterer Halbleiterzonen im Halbleiterkörper anheben. Beispielhaft kann es sich hierbei etwa um eine CoolMOS-Struktur (Superjunction- bzw. Kompensations-Bauelement) handeln, bei der durch eine Elektronenbestrahlung in Verbindung mit einer Wasserstoff-Plasmabehandlung die Dotierstoffkonzentration vom n-Leitfähigkeitstyp innerhalb der n-leitfähigen Gebiete der Kompensationsstruktur homogen angehoben und die effektiv wirksame Dotierstoffkonzentration vom p-Leitfähigkeitstyp in den p-leitfähigen Gebieten der Kompensationsstruktur reduziert werden kann. Hiermit lässt sich beispielsweise eine so genannte Lastigkeit gezielt in Richtung einer stärkeren Dotierstoffkonzentration vom n-Leitfähigkeitstyp verändern.
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Gemäß einem weiteren dem Verständnis der Erfindung dienenden Beispiel lässt sich das Korrigieren der Dotierstoffkonzentration lediglich in Teilen des Halbleiterkörpers durchführen. Hierzu kann etwa eine für Elektronen undurchlässige Maske auf das Halbleitersubstrat aufgebracht werden, wonach ein Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Elektronen zur Erzeugung von Defekten erfolgen kann. Die Maske kann beispielsweise als Metallblende geeigneter Dicke ausgebildet werden.
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Bei einem weiteren dem Verständnis der Erfindung dienenden Beispiel wird das Korrigieren der Dotierstoffkonzentration mehrfach hintereinander ausgeführt. Somit wird ein Bestrahlen mit Elektronen, Einbringen von Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elementen oder Elementverbindungen sowie ein thermisches Ausheilen zum Ausbilden der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren mehrfach hintereinander ausgeführt. Unabhängig von der Anzahl der Korrekturschritte, d. h. auch im Falle eines einzelnen Korrekturschrittes, lassen sich eine benötigte zusätzliche Dotierstoffkonzentration und damit Prozessparameter wie etwa die Elektronen-Bestrahlungsdosis mittels charakterisierender Messungen (z. B. einer Durchbruchspannungsmessung) an den Bauelementen oder Teststrukturen bestimmen.
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Das Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Diode, Bipolartransistor, MOS-Transistor, IGBT oder Thyristor aus- gebildet werden. Selbstverständlich können auch hiervon abweichende Strukturen wie etwa Diffusionswiderstände als Halbleiterbauelement dienen.
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Ein weiteres dem Verständnis der Erfindung dienendes Beispiel gibt ein Halbleiterbauelement an mit innerhalb eines Halbleiterkörpers ausgebildeten und das Halbleiterbauelement definierenden Halbleiterzonen, außerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten elektrischen Anschluss-/Ansteuerstrukturen, wobei eine Grund-Dotierstoffkonzentration innerhalb des Halbleiterkörpers durch Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren bestimmt ist. Bei den Halbleiterzonen kann es sich beispielsweise um dotierte Wannenzonen handeln, mit Hilfe derer z. B. Source und Drain eines MOS-Transistors, Anode und Kathode einer Diode oder auch Emitter, Basis und Kollektor eines Bipolartransistors ausgebildet werden. Bei den elektrischen Anschluss-/Ansteuerstrukturen kann es sich etwa um voneinander isolierte Metallisierungslagen handeln, die jedoch über Vias untereinander als auch mit einer Oberfläche des Halbleiterkörpers zur Kontaktierung des Halbleiterbauelements elektrisch verbunden sein können. Außerdem können die Anschluss-/Ansteuerstrukturen auch Gateisolationsstrukturen und Gateelektroden umfassen, um etwa eine Kanalleitfähigkeit eines MOS-Transistors zu steuern. Bei der Grund-Dotierstoffkonzentration innerhalb des Halbleiterkörpers kann es sich beispielsweise um die Dotierstoffkonzentration des Halbleiterbauelements handeln, welche die Sperrfestigkeit und damit die Spannungsklasse des Bauelements definiert.
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Gemäß einem weiteren dem Verständnis der Erfindung dienenden Beispiel wird ein Halbleiterbauelement angegeben mit innerhalb eines Halbleiterkörpers ausgebildeten und das Halbleiterbauelement definierenden Halbleiterzonen, außerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten elektrischen Anschluss-/Ansteuerstrukturen, wobei eine Dotierstoffkonzentration innerhalb wenigstens einer der Halbleiterzonen durch Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren bestimmt ist.
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Ein weiteres dem Verständnis der Erfindung dienendes Beispiel betrifft ein Halbleiterbauelement mit innerhalb eines Halbleiterkörpers aus Silizium ausgebildeten und das Halbleiterbauelement definierenden Halbleiterzonen, außerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten elektrischen Anschluss-/Ansteuerstrukturen, wobei eine Grund-Dotierstoffkonzentration vom n-Leitfähigkeitstyp innerhalb des Halbleiterkörpers durch Wasserstoff-korrelierte Donatoren bestimmt ist.
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Ein weiteres dem Verständnis der Erfindung dienendes Beispiel gibt ein Halbleiterbauelement an mit innerhalb eines Halbleiterkörpers ausgebildeten und das Halbleiterbauelement definierenden Halbleiterzonen, außerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten elektrischen Anschluss-/Ansteuerstrukturen, wobei eine Dotierstoffkonzentration innerhalb wenigstens einer der Halbleiterzonen vom n-Leitfähigkeitstyp durch Wasserstoff-korrelierte Donatoren bestimmt ist.
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Gemäß einem weiteren dem Verständnis der Erfindung dienenden Beispiel verläuft eine durch die wenigstens eine der Halbleiterzonen hindurchtretende kürzeste Verbindung zwischen einer Vorderseite und einer Rückseite des Halbleiterkörpers lediglich durch weitere Halbleiterzonen, die eine im Vergleich zur wenigstens einen der Halbleiterzonen höhere Dotierstoffkonzentration aufweisen. Betrachtet man somit beispielsweise eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers, so weisen oberhalb der wenigstens einen Halbleiterzone als auch unterhalb derselben liegende weitere Halbleiterzonen eine vergleichsweise höhere Dotierstoffkonzentration zur wenigstens einen der Halbleiterzonen auf. Die mittels der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren definierte Dotiertoffkonzentration in der wenigstens einen Halbleiterzone stellt somit die niedrigste Dotierstoffkonzentration entlang einer solchen Verbindungslinie von der Vorderseite zur Rückseite des Halbleiterkörpers dar. Die weiteren Halbleiterzonen können beispielsweise Halbleiterzonen darstellen, deren Konzentrationsprofil der Dotierstoffe durch Implantation oder auch Diffusion aus einer Feststoffquelle bestimmt ist.
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Ein weiteres dem Verständnis der Erfindung dienendes Beispiel betrifft ein Halbleiterbauelement mit innerhalb eines Halbleiterkörpers ausgebildeten und das Halbleiterbauelement definierenden Halbleiterzonen, außerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten elektrischen Anschluss-/Ansteuerstrukturen, wobei wenigstens eine der Halbleiterzonen eine Superjunction-Struktur enthält und eine Dotierstoffkonzentration innerhalb der Superjunction-Struktur wenigstens teilweise durch Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren bestimmt ist.
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Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um eine Diode, einen Bipolartransistor, einen MOS-Transistor, einen Superjunction-Transistor, einen IGBT oder einen Thyristor handeln.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit begleitenden Abbildungen erläutert. Es zeigen:
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1A bis 1C schematische Querschnittsansichten während eines Prozessstadiums gemäß Ausführungsformen zum Dotieren eines Halbleiterkörpers;
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2A bis 2C schematische Querschnittsansichten eines weiteren Prozessstadiums gemäß Ausführungsformen zum Dotieren eines Halbleiterkörpers;
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3A und 3B schematische Dotierstoffkonzentrationsprofile eines Halbleiterkörpers, die mit Ausführungsformen dieser Erfindung erzielt werden können;
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4 eine schematische Querschnittsansicht einer Superjunction-Transistorstruktur; und
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5 schematische Verläufe des elektrischen Feldes während des Betriebs der Superjunction-Struktur.
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Die in den nachfolgenden Abbildungen gezeigten Ansichten dienen der Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung und sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. In den Ansichten werden ähnliche oder übereinstimmende Elemente mit denselben Bezugskennzeichen versehen. Die in den 1A bis 1C gezeigten Prozessstadien zeigen Ausführungsformen zum Bestrahlen eines Halbleiterkörpers mit Elektronen zur Erzeugung von Defekten im Halbleiterkörper. Es sei darauf hingewiesen, dass den Ausführungsformen zum Dotieren eines Halbleiterkörpers neben dem in 1A bis 1C gezeigten Verfahrensmerkmal zur Defekterzeugung mittels Elektronenbestrahlung weitere Verfahrensmerkmale wie das Einbringen eines Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung in den Halbleiterkörper als auch ein thermisches Ausheilen des Halbleiterkörpers zum Ausbilden der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren zugeordnet sind. Auf eines dieser oder beide dieser weiteren Verfahrensmerkmale wird beispielsweise in 2A bis 2C und deren Figurenbeschreibung eingegangen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die mit Hilfe der Figuren beschriebenen Verfahrensmerkmale des Bestrahlens des Halbleiterkörpers mit Elektronen sowie des Einbringens eines Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden können, d. h. ein Bestrahlen von Elektronen kann somit nach oder vor dem Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung erfolgen. Ebenso kann das Verfahren zum Dotieren des Halbleiterkörpers mehrfach hintereinander ausgeführt werden, um sich beispielsweise einer gewünschten Dotierstoffkonzentration nach und nach immer präziser anzunähern.
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In 1A ist eine schematische Ansicht während eines Prozessstadiums eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Hierbei wird ein Halbleiterkörper 1, bei dem es sich beispielsweise um einen noch nicht oder bereits vorprozessierten Halbleiterwafer handeln kann, über eine Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1 mit Elektronen 3 bestrahlt. Mit dieser Bestrahlung sollen Defekte im Halbleiterkörper 1 erzeugt werden, mit Hilfe derer in späteren Prozessstadien Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausgebildet werden. Eine Energie der Elektronen 3 wird bei der Bestrahlung beispielsweise derart gewählt, dass damit innerhalb des Halbleiterkörpers 1 Defekte mit möglichst homogener Defektkonzentration erzeugt werden. Optional kann der Halbleiterkörper 1 nach dieser Bestrahlung umgedreht werden, woran sich eine erneute Bestrahlung mit Elektronen 3 anschließen kann. Nunmehr treffen die Elektronen zunächst auf die Oberfläche 4 auf, treten in den Halbleiterkörper 1 ein und erzeugen darin Defekte, wonach diese wieder aus dem Halbleiterkörper 1 über die Oberfläche 2 austreten. Diese optionale erneute Bestrahlung über die gegenüberliegende Oberfläche kann beispielsweise dann verwendet werden, falls eine der Bestrahlung zugrunde liegende Elektronenenergie zu einem Profil der Defektkonzentration von der einen zur anderen Oberfläche führen würde, das sich bei erneuter Bestrahlung von der gegenüberliegenden Oberfläche aus hinsichtlich der damit erzielbaren Homogenität der Defektkonzentration in vertikaler Scheibenrichtung günstig auswirkt.
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In 1B ist eine schematische Darstellung eines Prozessstadiums eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Hierbei wird auf dem Halbleiterkörper 1 auf der Oberfläche 2 vor dem Bestrahlen mit Elektronen 3 eine Maske 5 aufgebracht, deren Material und Dicke geeignet gewählt sind, um die Elektronen 3 an einem Eindringen in den Halbleiterkörper 1 zu hindern. Somit dringen die Elektronen 3 bei der Bestrahlung der Oberfläche 2 lediglich in den von der Maske 5 freigelegten Bereichen 6 in den Halbleiterkörper 1 ein.
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Somit ermöglicht diese Ausführungsform ein lokales Bestrahlen des Halbleiterkörpers 1 und damit ein Erzeugen von Defekten in ausgewählten und lateral zueinander beabstandeten Bereichen 7. Selbstverständlich kann sich auch an diese Elektronenbestrahlung ein Wenden des Halbleiterkörpers 1 mit erneuter Elektronenbestrahlung von der gegenüberliegenden Seite anschließen.
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In 1C ist eine schematische Ansicht eines Prozessstadiums eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Hierbei werden mehrere Halbleiterkörper 1, 1’ sowie 1’’ übereinander gestapelt. Hierauf folgt die Bestrahlung mit Elektronen 3 zur Erzeugung der Defekte innerhalb der Halbleiterkörper 1, 1’ und 1’’. Es sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl der übereinander gestapelten Halbleiterkörper keineswegs drei betragen muss, sondern beliebig gewählt werden kann unter Berücksichtigung einer mit der gewählten Elektronenenergie erzielbaren Reichweite im Material der Halbleiterkörper 1, 1’ und 1’’. Ebenso kann die Bestrahlung mit Elektronen mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei sich zwischen den einzelnen Bestrahlungen eine Umordnung der Stapelabfolge der Halbleiterkörper anschließen kann. Ebenso kann auch dieser Ausführungsform die Verwendung einer wie im Prozessstadium von 1B gezeigten Maske zur Erzielung einer lokalen Bestrahlung mit Elektronen zugrunde gelegt werden.
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Die in 2A bis 2C gezeigten Prozessstadien dienen dem Einbringen eines Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung in den Halbleiterkörper 1. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Prozessstadium dem in 1A bis 1C gezeigten Prozessstadium zum Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Elektronen sowohl vorausgehen als auch nachfolgen kann. Optional kann das thermische Ausheilen des Halbleiterkörpers zum Ausbilden der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren in den in 2A bis 2C gezeigten Prozesskammern durchgeführt werden. Auch ist es möglich, das thermische Ausheilen des Halbleiterkörpers in einer von der Prozesskammer zum Einbringen der Elemente oder Elementverbindungen verschiedenen Prozesskammer durchzuführen.
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In 2A ist eine schematische Ansicht eines Prozessstadiums eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das schematisch dargestellte Prozessstadium betrifft das Einbringen eines Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung in den Halbleiterkörper 1. Hierzu erfolgt eine Plasmabehandlung innerhalb einer Plasmakammer 8, in die über ein Gas-/Vakuumsystem 9 die zum Zünden des Plasmas dienenden Gase zugeführt werden können. Hierbei wird auch das die Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildende Element oder die Elementverbindung zunächst gasförmig, z. B. in geeigneter gasförmiger Verbindung, in die Plasmakammer 8 geführt, wo das Element oder die Elementverbindung nach Zünden des Plasmas zwischen zwei Elektroden E1 und E2 freigesetzt wird und in den Halbleiterkörper 1, der etwa auf einer der als Träger dienenden Elektroden E1, E2 liegt, eindringt. Beispielsweise kann die Temperatur in der Plasmakammer 8 geregelt werden, so dass ein thermisches Ausheilen des Halbleiterkörpers 1 zum Ausbilden der Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren auch innerhalb der Plasmakammer durchgeführt werden kann. Das Plasma kann beispielsweise ein Wasserstoffplasma sein, das dem Einbringen von Wasserstoff in einen Halbleiterkörper aus Silizium zur Ausbildung von Wasserstoff-korrelierten Donatoren dient. Die Wasserstoff-Plasma-Behandlung findet beispielsweise bei Temperaturen zwischen 250 °C und 500 °C über einen Zeitraum von 15 min bis 150 min statt.
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In 2B ist eine schematische Ansicht eines Prozessstadiums eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Wie schon im Zusammenhang mit 2A beschrieben wurde, betrifft auch dieses Verfahrensmerkmal das Einbringen des Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder der Elementverbindung in den Halbleiterkörper 1. Hierzu wird auf den Halbleiterkörper 1 eine Feststoffquelle 10 aufgebracht, in der das einzubringende Element oder die Elementverbindung enthalten ist. Der Halbleiterkörper 1 mit der aufgebrachten Feststoffquelle 10 wird einer Temperung ausgesetzt, z. B. innerhalb einer Heizkammer 11, wobei über diese Temperung das in der Feststoffquelle 10 enthaltene Element oder die Elementverbindung entweicht und in den Halbleiterkörper 1 eingebracht wird. Somit zeichnet sich die Feststoffquelle 10 dadurch aus, dass das in ihr enthaltene Element oder die Elementverbindung, welches zur Ausbildung von Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren geeignet ist, bei Erhitzung aus der Feststoffquelle entweicht. Im Falle eines Halbleiterkörpers aus Silizium, in den Wasserstoff eingebracht werden soll, kann als Feststoffquelle 10 beispielsweise eine amorphe Siliziumnitrid-Schicht dienen, die etwa mittels Plasma-unterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) auf den Halbleiterkörper 1 bei Temperaturen von einigen 100 °C, z. B. 400 °C, abgeschieden wird. Das hiermit deponierte Siliziumnitrid besitzt einen sehr hohen Wasserstoff-Gehalt, so dass über einen nachfolgenden Temperschritt der Wasserstoff aus der Siliziumnitrid-Schicht in das Silizium diffundiert werden kann.
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In 2C ist eine schematische Ansicht eines Prozessstadiums eines Verfahrens zum Dotieren eines Halbleiterkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie schon anhand der schematischen Ansichten in 2A und 2B erläutert, betrifft auch dieses Prozessstadium das Einbringen eines Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren ausbildenden Elements oder einer Elementverbindung in den Halbleiterkörper. Hierbei erfolgt das Einbringen des Elements oder der Elementverbindung über eine Temperung in einer Kammer 12, in die über das Gas-/Vakuumsystem 9 ein das Element oder die Elementverbindung in geeigneter Form enthaltendes Gas eingeführt wird, von wo aus das Element oder die Elementverbindung bei geeigneter Temperaturerhöhung über eine Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 in denselben eindringt. Beispielsweise kann mit Stickstoffgas gemischter Wasserstoff, z. B. Formiergas mit 20 % Wasserstoffanteil, oder Stickstoffgas mit noch höherem Wasserstoffanteil zum Einbringen von Wasserstoff in das Silizium genutzt werden.
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In 3A ist ein schematisches Diagramm eines Profils der Dotierstoffkonzentration N zwischen sich gegenüberliegenden Oberflächen eines Halbleiterkörpers (d.h. in die Tiefe) gemäß einer Ausführungsform gezeigt (z. B. entlang der Schnittlinie A-A’ von 1A). Hierbei ist die Dotierstoffkonzentration N im Gebiet mit der niedrigsten Dotierstoffkonzentration 13 homogen. In diesem Gebiet 13 ist die Dotierstoffkonzentration N über Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren festgelegt, deren Ausbildung beispielsweise die in 1A–1C und 2A–2C gezeigten Prozessstadien zugrunde liegen. Weitere Gebiete mit höherer Dotierstoffkonzentration 14, 14’ dienen beispielsweise der Definition eines Halbleiterbauelements. Diese weiteren Gebiete mit höherer Dotierstoffkonzentration können etwa mittels Ionenimplantation vor dem Ausbilden des Gebiets 13 hergestellt sein. Die Gebiete 14, 13, 14’ definieren beispielsweise Bodyzone, Driftzone und Kollektorzone eines vertikalen MOS-Transistors.
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In 3B ist ein schematisches Diagramm eines Profils der Dotierstoffkonzentration N zwischen sich gegenüberliegenden Oberflächen eines Halbleiterkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt. Hierbei weist der Halbleiterkörper 1 eine homogene Dotierstoffkonzentration N auf. Das Gebiet mit der niedrigsten Dotierstoffkonzentration 13, das mittels Defekt-korrelierter Donatoren und/oder Akzeptoren ausgebildet ist, umfasst hierbei den gesamten Halbleiterkörper 1. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Dotieren mittels Defekt-korrelierter Donatoren und/oder Akzeptoren vor der Prozessierung des Halbleiterkörpers 1 zur Ausbildung von Halbleiterbauelementen. Diese Ausführungsform kann beispielsweise einem Halbleiterprozess zugrunde gelegt werden, bei dem die Prozessschritte zum Ausbilden eines Bauelements bei so niedrigen Temperaturen ablaufen, dass die vorab eingebrachten Defekt-korrelierten Donatoren und/oder Akzeptoren durch die späteren Prozessschritte nicht unangemessen beeinträchtigt werden, z. B. durch Dissoziation. Diese Ausführungsform kann etwa zur Ausbildung einer Schottky-Diode geeignet sein.
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In 4 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Superjunction-Transistorstruktur gezeigt. In einem Halbleiterkörper 1 sind Halbleiterzonen 13, 14 und 14' definiert, wobei Anschluss-/Ansteuerstrukturen 16, 16' das Substrat von gegenüberliegenden Oberflächen aus kontaktieren. Die Anschluss-/Ansteuerstruktur 16 umfasst beispielsweise Metallisierungslagen, Kontaktstöpsel sowie eine Gateelektrode zur Steuerung einer Kanalleitfähigkeit im Halbleitersubstrat (in 4 lediglich schematisch skizziert). Die Halbleiterzone 14 umfasst beispielsweise Body- und Sourcegebiete (in 4 lediglich schematisch skizziert). In der Halbleiterzone 13 ist eine Superjunction-Struktur 15 in Form lateral benachbarter Halbleitergebiete mit alternierendem Leitfähigkeitstyp, d.h. n-Typ und p-Typ, ausgebildet. Außerdem kann zwischen der Superjunction-Struktur 15 und der Halbleiterzone 14' eine beispielsweise nur n-dotierte Halbleiterzone 13' in der Halbleiterzone 13 angeordnet sein. Die Halbleiterzone 14' weist eine im Vergleich zur Halbleiterzone 13 vergleichsweise höhere Dotierstoffkonzentration auf und ist zwischen der Halbleiterzone 13 und der rückseitigen Anschluss-/Ansteuerstruktur 16' ausgebildet. Die Superjunction-Struktur 15 und die Halbleiterzone 13' stellen das Gebiet mit der niedrigsten Dotierstoffkonzentration dar, welches durch Defekt-korrelierte Donatoren und/oder Akzeptoren hinsichtlich der Dotierstoffkonzentration korrigiert werden kann. Ist der Superjunction-Transistor beispielsweise aus Silizium gebildet und werden Wasserstoff-korrelierte Donatoren zur Korrektur der Dotierstoffkonzentration der Superjunction-Struktur verwendet, können hiermit die p-dotierten Gebiete der Superjunction-Struktur 15 in deren Netto-Dotierungskonzentration erniedrigt und die n-dotierten Halbleitergebiete der Superjunction-Struktur 15 in der Netto-Dotierungskonzentration erhöht werden.
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In
5 ist eine schematische Darstellung des elektrischen Feldes über einer Tiefe der Superjunction-Struktur
15 während des Betriebs beispielhaft gezeigt. Die Darstellung des elektrischen Feldes erfolgt hierbei von der Halbleiterzone
14 durch die Halbleiterzone
13 zur Halbleiterzone
14'. Der rückseitige Abbau des elektrischen Feldes erfolgt in der ndotierten Halbleiterzone
13' oder auch in der Halbleiterzone
14'. Ein elektrischer Feldverlauf vor der Korrektur durch Defekt-korrelierte Donatoren ist als Kurvenverlauf (a) gezeigt. Eine Korrektur der Dotierstoffkonzentration in der Superjunction-Struktur
15 durch Einbringen und Aktivieren Defekt-korrelierter Donatoren bringt beispielsweise eine Änderung des elektrischen Feldverlaufs wie in den Kurvenverläufen (b) und (c) mit sich. Je nach Korrekturdosis lässt sich der Verlauf des elektrischen Feldes gegenüber dem ursprünglichen Feldverlauf mehr (vgl. Kurve (c)) oder weniger (vgl. Kurve (b)) stark ändern. Eine derartige Korrektur des elektrischen Feldverlaufs lässt sich beispielsweise während oder nach Herstellung der Superjunction-Transistorstruktur ausführen und mit Hilfe unterstützender Charakterisierungstechniken im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften sowie die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauelements geeignet einstellen. Bezugszeichenliste
| 1, 1’, 1’’ | Halbleiterkörper |
| 2, 4 | Oberflächen des Halbleiterkörpers |
| 3 | Elektronenstrahl |
| 5 | Maske |
| 6 | Freigelegte Oberfläche des Halbleiterkörpers |
| 7 | Bestrahlte Halbleiterbereiche |
| 8 | Plasmakammer |
| 9 | Gas-/Vakuumsystem |
| 10 | Feststoffquelle |
| 11 | Heizkammer |
| 12 | Kammer |
| 13 | Gebiet mit niedrigster Dotierstoff konzentration |
| 13’ | Halbleiterzone |
| 14, 14’ | Weitere Gebiete mit im Vergleich zum Gebiet 13 höherer Dotierstoffkonzentration |
| 15 | Superjunction-Struktur |
| 16, 16' | Anschluss-/Ansteuerstruktur |