DE102007029121B3

DE102007029121B3 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, sowie Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102007029121B3
Application number: DE102007029121A
Authority: DE
Inventors: Davide Chiola; Carsten SCHÄFFER
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: US8003456B2; US20110233728A1; US8304305B2; US20080315363A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: - Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (2) mit einer ersten Oberfläche (4); - Bilden einer Maske (6) auf der ersten Oberfläche (4), wobei die Maske (6) Öffnungen (8) zum Definieren der Lage von Gräben aufweist; - Erzeugen von Gräben (10) im Halbleiterkörper (2) unter Verwendung der Maske (6), wobei Mesa-Strukturen (12) zwischen benachbarten Gräben (10) verbleiben; - Einbringen eines ersten Dotierstoffs (16) vom ersten Leitungstyp unter Verwendung der Maske (6) in die Böden (14) der Gräben (10); - Durchführen eines ersten Temperaturschritts; - Einbringen eines zweiten Dotierstoffs (18) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp zumindest in die Böden (14) der Gräben (10); und - Durchführen eines zweiten Temperaturschritts.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Leistungshalbleiterbauelemente werden insbesondere im Hinblick auf ihren Einschaltwiderstand Ron sowie deren Durchbruchsfestigkeit hin optimiert. So wurden beispielsweise IGBTs(Insulated Gate Bipolar Transistor) mit dynamischer Anpassungsfähigkeit vorgeschlagen (T. Laska et. al, Field Stop IGBTs with Dynamic Clamping Capability – A New Degree of Freedom for Future Inverter designs?, proceedings of EPE, 2005 Dresden), die sich dynamisch auf Spannungsspitzen einstellen, welche beim Umschalten des Bauelements in den Sperrzustand auftreten können. Die dynamische Anpassungsfähigkeit von Leistungshalbleiterbauelementen erweitert deren zulässigen Einsatzbereich (SOA, Safe Operating Area) und gestattet, die Ansteuerungselektronik zu vereinfachen, d. h. auf aktive Klemmelemente sowie Überspannungsschutzelemente ohne Erhöhung des Gesamtwiderstands Rg zu verzichten.
Leistungshalbleiterbauelemente mit verbessertem Überspannungsschutz bzw. verbessertem Kurzschlussverhalten sind in DE 10 2005 004 354 A1 und DE 103 19 515 B4 beschrieben. Die US 6 392 273 B1 befasst sich ebenfalls mit der Verbesserung der Durchbruchsfestigkeit eines IGBTs. Leistungshalbleiterbauelemente mit verbessertem Einschaltwiderstand werden dagegen in US 2003/0094624 A1 und US 2005/0263853 A1 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements bereitgestellt. Das Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf:

– Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer ersten Oberfläche;
– Bilden einer Maske auf der ersten Oberfläche, wobei die Maske Öffnungen zum Definieren der Lage von Gräben aufweist;
– Erzeugen von Gräben im Halbleiterkörper unter Verwendung der Maske, wobei Mesa-Strukturen zwischen benachbarten Gräben verbleiben;
– Einbringen eines ersten Dotierstoffs vom ersten Leitungstyp unter Verwendung der Maske in die Böden der Gräben;
– Durchführen eines ersten Temperaturschritts;
– Einbringen eines zweiten Dotierstoffs vom zum ersten Dotierstoff komplementären zweiten Dotierstoff zumindest in die Böden der Gräben; und
– Durchführen eines zweiten Temperaturschritts.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Halbleiterbauelement bereitgestellt, das einen Halbleiterkörper mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordneten zweiten Oberfläche aufweist. Eine Vielzahl von Gräben erstreckt sich ausgehend von der ersten Oberfläche im Wesentlichen senkrecht in den Halbleiterkörper, wobei zwischen benachbarten Gräben Mesa-Strukturen angeordnet sind. Zumindest ein Driftgebiet vom ersten Leitungstyp ist zwischen den Gräben und der zweiten Oberfläche angeordnet. Bodygebiete vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp sind in den Mesa-Strukturen zwischen dem Driftgebiet und der ersten Oberfläche angeordnet. Zumindest ein Puffergebiet vom ersten Leitungstyp ist zwischen dem Driftgebiet und den Body gebieten angeordnet und umgibt einen zur zweiten Oberfläche hin weisenden unteren Bereich der Gräben einschließlich des Grabenbodens, wobei das Puffergebiet eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet aufweist. Zumindest ein Schutzgebiet vom zweiten Leitungstyp ist vollständig in das Puffergebiet eingebettet und umgibt den Boden zumindest eines Grabens.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden werden in den anhängenden Figuren gezeigte Ausführungsformen beschrieben, aus denen sich weitere Vorteile und Modifikationen ergeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen aus einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Halbleiterbauelemente. Konkreter beziehen sich die Ausführungsformen auf durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente. Im Speziellen beziehen sie sich auf Leistungshalbleiterbauelemente und insbesondere auf Feldeffekthalbleiterbauelemente mit oder ohne Bipolartransistorstruktur. Weitere Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, das bspw. durch Feldeffekt steuerbar ist.
1A bis 1F zeigen eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements.
2 zeigt Simulationsergebnisse zur Bewertung der Durchbruchspannung BVces in Abhängigkeit von der verwendeten Implantationsdosis.
3 zeigt Simulationsergebnisse zur Einschätzung der über einem Halbleiterbauelement im eingeschalteten Zustand anliegenden Spannung Vcesat in Abhängigkeit von der verwendeten Implantationsdosis.
4 zeigt Simulationsergebnisse zur Bewertung der Einsatzspannung Vgeth in Abhängigkeit von der verwendeten Implantationsdosis.
5A und 5B zeigen Simulationsergebnisse zur Veranschaulichung der elektrischen Feldstärkeverteilung beim Durchbruch für ein konventionelles Halbleiterbauelement (5A) sowie für ein nach der ersten Ausführungsform hergestelltes Halbleiterbauelement (5B).
6A und 6B zeigen Simulationsergebnisse zur Veranschaulichung der Stossionisationsrate für ein konventionelles Halbleiterbauelement (6A) sowie für ein nach der ersten Ausführungsform hergestelltes Halbleiterbauelement (6B).
7A bis 7F zeigen einzelne Schritte eines Herstellungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform.
8 zeigt Simulationsergebnisse für die Bewertung der Durchbruchsspannung BVces in Abhängigkeit von der verwendeten Implantationsdosis.
9 zeigt Simulationsergebnisse zur Bewertung der über einem Halbleiterbauelement im eingeschalteten Zustand anliegen den Spannung Vcesat in Abhängigkeit von der verwendeten Implantationsdosis.
10 zeigt Simulationsergebnisse zur Bewertung der Einsatzspannung Vgeth in Abhängigkeit von der verwendeten Implantationsdosis.
11 zeigt die Implantationsverhältnisse für die erste Ausführungsform.
12 zeigt die Implantationsverhältnisse für die zweite Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend sollen einige Ausführungsformen erläutert werden. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll unter „lateral" bzw. „laterale Richtung" eine Richtung bzw. Ausdehnung verstanden werden, die parallel zur lateralen Ausdehnung eines Halbleitermaterials bzw. Halbleiterkörpers verläuft. Typischerweise liegt ein Halbleiterkörper als dünner Wafer bzw. Chip vor und umfasst zwei auf gegenüberliegenden Seiten befindliche Flächen, von denen eine Fläche als Hauptfläche bezeichnet wird. Die laterale Richtung erstreckt sich damit parallel zu diesen Oberflächen. Im Gegensatz dazu wird unter dem Begriff „vertikal" bzw. „vertikale Richtung" eine Richtung verstanden, die senkrecht zur Hauptfläche und damit zur lateralen Richtung verläuft. Die vertikale Richtung verläuft daher in Dickenrichtung des Wafers bzw. Chips.
Die Ausführungsformen werden überwiegend anhand von Feldeffekttransistoren mit Bipolartransistorstruktur, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente und speziell IGBTs mit pnp-Bipolartransistorstruktur, beschrieben. Die Ausführungsformen sind jedoch nicht darauf beschränkt und können auch als Leistungsfeldeffekttransistoren, beispielsweise npn-Feldeffekttransistoren, ausgebildet werden. Die in den Ausführungsformen gezeigte Dotierung kann auch entsprechend invertiert werden.
Die in den Figuren gezeigten Strukturen sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern dienen nur dem besseren Verständnis der Ausführungsformen.
1A bis 1F zeigen einzelne Schritte eines Herstellungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung einer im Halbleiterkörper tief vergrabenen n-leitenden Schicht, welche Gräben und insbesondere den unteren Bereich der Gräben einschließlich der Grabenböden umgibt. Weiterhin werden p-dotierte Schichten gebildet, welche in der n-dotierten Schicht eingebettet sind und die Grabenböden umgeben. Dadurch wird erreicht, dass ein an den Wänden der Gräben gebildetes Gateoxid insbesondere im Bereich der Grabenböden vor hohen elektrischen Feldstärken, welche im Sperrzustand sowie beim Umschalten des Halbleiterbauelements in den Sperrzustand auftreten können, geschützt wird.
Ausgangspunkt des Verfahrens ist beispielsweise ein Halbleiterkörper 2, der typischerweise ein schwach dotiertes Halbleitergebiet 48 aufweist. Bei dem Halbleitergebiet 48 handelt es sich typischerweise um die Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers 2, welche in der vorliegenden Ausführungsform schwach n-dotiert ist und eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2·10¹³/cm³ aufweist. Teile dieses Halbleitergebiets 48 können nachfolgend das Driftgebiet bzw. die Driftstrecke des Halbleiterbauelements bilden.
Im Halbleiterkörper 2 kann eine optionale tiefe P-Wanne 30 ausgebildet sein, welche den Randbereich des zu bildenden Halbleiterbauelements darstellt und den aktiven Bereich des Halbleiterbauelements umgibt. Die P-Wanne 30 kann teilweise mit einem thermisch oxidierten optionalen Feldoxid 32 bedeckt sein.
Unabhängig davon, ob die P-Wanne 30 und das Feldoxid 32 vorhanden sind oder nicht, wird auf eine erste Oberfläche 4 des Halbleiterkörpers 2 eine Maske 6 gebildet. Bei der Maske 6 kann es sich um eine Hartmaske handeln. Zur Bildung der Maske 6 wird beispielsweise eine TEOS-Schicht ganzflächig abgeschieden und unter Verwendung einer hier nicht gezeigten Lackmaske geeignet strukturiert, wobei dadurch Öffnungen 8 in der TEOS-Schicht geätzt werden, welche die Lage der späteren Gräben definieren. 1A zeigt die fertig strukturierte Maske 6 mit den Öffnungen 8.
Unter Verwendung der Maske 6 werden Gräben 10 im Halbleiterkörper 2 gebildet. Dazu wird beispielsweise das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 2 geätzt. Die Ätzung erfolgt selektiv zum Material der Maske 6 und wird typischerweise als anisotrope Ätzung ausgeführt, so dass Gräben 10 mit im Wesentlichen vertikalen Seitenwänden entstehen. Die Gräben 10 werden typischerweise einige μm tief in den Halbleiterkörper geätzt, wobei die Gräben 10 bis in eine Tiefe von etwa 4 μm bis etwa 8 μm reichen können.
Die Art der Ätzung, d. h. das oder die verwendeten Ätzgase sowie die Ätzzeit, hängt unter anderem vom verwendeten Material des Halbleiterkörpers 2 und dem Material der Maske 6 ab. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Halbleiterkörper 2 beispielsweise aus monokristallinem Silizium. Zur anisotropen Ätzung von Silizium eignen sich beispielsweise die folgen den Ätzgase: SF₆ und HBr. Anstelle von Silizium kann der Halbleiterkörper 2 jedoch auch aus anderen Halbleitermaterialien bestehen, beispielsweise Siliziumcarbid (SiC), Verbindungshalbleiter wie beispielsweise III-V-Verbindungshalbleiter und Heterostrukturen der genannten Halbleitermaterialien.
Die nach der Ätzung erhaltene Struktur ist in 1A gezeigt. Das zwischen benachbarten Gräben 10 verbliebene Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 2 bildet dort Mesa-Strukturen 12, in welchen in späteren Verfahrensschritten beispielsweise die Bodygebiete des Halbleiterbauelements ausgebildet werden.
Nachfolgend wird unter Verwendung der Maske 6 ein erster Dotierstoff in die Böden 14 der Gräben 10 eingebracht, beispielsweise implantiert. Die ursprünglich für die Ätzung der Gräben 10 vorgesehene Maske 6 dient demnach auch als Implantationsmaske, so dass der erste Dotierstoff 16 im Halbleiterkörper 2 lediglich in die Böden 14 der Gräben 10 implantiert wird. Dies ist in 1B angedeutet. Der erste Dotierstoff 16 ist wie die Hintergrunddotierung des Halbleiterkörpers 2 vom ersten Leitungstyp, d. h. in der vorliegenden Ausführungsform ein n-Dotierstoff. Beispielsweise kann Phosphor als erster Dotierstoff verwendet und mit einer Dosis von ungefähr 6·10¹²/cm² bis etwa bis etwa 3·10¹³/cm² und insbesondere mit einer Dosis von etwa 8·10¹²/cm² bis etwa 2,5·10¹³/cm² implantiert werden. Anstelle von Phosphor können auch Arsen und Antimon verwendet werden. Alternativ kann der erste Dotierstoff 16 auch durch einen Ofenprozess unter Verwendung von flüssigen oder festen Quellen eingebracht werden. Im Fall von Phosphor kann dies beispielsweise auf Basis von POCl₃ erfolgen.
Nachfolgend wird die Maske 6 beispielsweise mittels nasschemischer Ätzung, beispielsweise mit gepufferter HF-Säure, selek tiv zum Material des Halbleiterkörpers 2 entfernt. Die Ätzung kann dabei zeitgesteuert erfolgen, d. h., dass eine Ätzung mit vorgegebener Ätzzeit oder mit Endpunktkontrolle durchgeführt wird. Nachfolgend wird ein erster Temperaturschritt, typischerweise ein Hochtemperaturschritt, durchgeführt. Mit diesem Temperaturschritt wird der implantierte erste Dotierstoff 16 zumindest teilweise ausdiffundiert. Da der erste Dotierstoff 16 in die Grabenböden 14 implantiert wurde, erfolgt die Ausdiffusion aus dieser Region, d. h. die sich dabei ausbildenden Ausdiffusionsgebiete werden in der Tiefe des Halbleiterkörpers 2 und typischerweise von der ersten Oberfläche 4 des Halbleiterkörpers 2 beabstandet ausgebildet. Wird der erste Temperaturschritt so lange durchgeführt, dass diese Ausdiffusionsgebiete miteinander verschmelzen, entsteht dadurch eine vergrabene und zusammenhängende n-leitende Schicht, welche den unteren Bereich der Gräben einschließlich der Böden 14 umgibt. Diese n-leitende Schicht, die sich im Wesentlichen in lateraler Richtung erstreckt, wird im Folgenden als Puffergebiet 26 oder Pufferschicht bezeichnet. Das Puffergebiet 26 bzw. die Ausdiffusionsgebiete sind, wie in 10 angedeutet, in vertikaler Richtung etwa symmetrisch zu den Böden 14 ausgebildet. Es versteht sich von selbst, dass nachfolgende Temperaturschritte zu einer weiteren Ausdiffusion des ersten Dotierstoffs 16 führen können. Diese weitere Ausdiffusion ist der Einfachheit halber in den nachfolgenden Figuren nicht wiedergegeben. Das Ausmaß der weiteren Ausdiffusion hängt dabei stark von der Temperatur und der Zeitdauer der weiteren Temperaturschritte ab. Die Ausdiffusionsgebiete des ersten Dotierstoffs müssen beim ersten Temperaturschritt jedoch nicht notwendigerweise zusammenwachsen. Dies kann auch erst bei nachfolgenden Temperaturschritten erfolgen. Der erste Temperaturschritt ist jedoch der wesentliche Temperaturschritt zur Ausbildung der separaten Puffergebiete (sofern kein Verschmelzen gewünscht ist) oder des durchgehenden Puffergebiets 26 (sofern die Ausdiffusion zu einem Verschmelzen führt).
Der erste Temperaturschritt kann beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1200°C und insbesondere bei etwa 1150°C für etwa 140 Minuten durchgeführt werden. Der erste Temperaturschritt kann auch für längere Zeiten durchgeführt werden. Ggf. können mittels des ersten Temperaturschritts hier nicht gezeigte andere Dotierstoffe, beispielsweise zur Ausbildung von Feldringen im Randbereich des Halbleiterkörpers 2, ausdiffundiert werden. Dabei können die Ausdiffusionsgebiete eine Ausdehnung von etwa 3 bis 4 μm, gemessen von den Grabenböden 14, erreichen. Die Mesa-Strukturen 12 haben eine laterale Ausdehnung von typischerweise etwa 4 μm bis etwa 10 μm. Die Dotierstoffkonzentration der Ausdiffusionsgebiete bzw. des Puffergebiets 26 kann dabei zwischen 4·10¹⁵/cm³ bis etwa 3·10¹⁶/cm³ liegen.
Wie aus dem Vergleich der 1B und 1C erkennbar, führt der erste Temperaturschritt auch zur weiteren Ausdiffusion der P-Wanne 30. Während des ersten Temperaturschritts kann sich auf den freiliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers 2 weiterhin eine Hilfsoxidschicht 20 bilden. Diese Hilfsoxidschicht 20 bedeckt die erste Oberfläche 4 sowie die freiliegenden Oberflächenbereiche der Gräben 10. Die Hilfsoxidschicht 20 dient bei der nachfolgenden Implantation eines zweiten Dotierstoffs 18 als Streuoxid.
Die Implantation des zweiten Dotierstoffs 18 (1D), der vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp ist, ist in 1D dargestellt. Bei dem zweiten Dotierstoff kann es sich beispielsweise um Bor handeln, das mit einer Dosis von etwa 4·10¹³/cm² bis etwa 1·10¹⁴/cm², insbesondere mit einer Dosis von etwa 6·10¹³/cm² bis 9·10¹³/cm² und beispielswei se mit einer Dosis von etwa 8·10¹³/cm² implantiert wird. Die Implantation erfolgt dabei sowohl in die Grabenböden 14 als auch in die freiliegenden Bereiche der ersten Oberfläche 4, d. h. insbesondere in die oberflächennahen Bereiche der Mesa-Strukturen 12.
Nach erfolgter Implantation des zweiten Dotierstoffs 18 wird die Hilfsoxidschicht 20 beispielsweise nasschemisch entfernt und eine Gateoxidschicht 22 insbesondere thermisch gebildet, wobei die Gateoxidschicht insbesondere die Gräben 10 auskleidet und auch die freiliegenden Bereiche des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 2 an dessen erster Oberfläche 4 bedecken kann.
Die Gräben 10 werden nachfolgend mit einem leitfähigen Material, beispielsweise Polysilizium, gefüllt. Dies kann beispielsweise durch Abscheiden einer Polysiliziumschicht mit nachfolgender Dotierung und Strukturierung dieser erfolgen. Die Polysiliziumschicht wird typischerweise hoch dotiert, so dass das Polysilizium in den Gräben 10 eine Dotierstoffkonzentration von etwa 1·10²⁰/cm³ aufweist. Das in die Gräben 10 gefüllte leitfähige Material bildet dort die Gateelektrode 24 für die einzelnen Zellen des Halbleiterbauelements.
Anschließend erfolgt ein zweiter Temperaturschritt zur zumindest teilweisen oder weitgehend vollständigen Ausdiffusion des implantierten zweiten Dotierstoffs 18. Der zweite Temperaturschritt kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000°C bis etwa 1200°C und insbesondere bei etwa 1150°C für etwa 60 Minuten durchgeführt werden. Typischerweise erfolgt der erste Temperaturschritt bei im Wesentlichen gleicher Temperatur wie der zweite Temperaturschritt, jedoch für eine längere Zeit. Wie bereits weiter oben beschrieben, kann der zweite Temperaturschritt ebenfalls zu einer weiteren Ausdiffusion des ersten Dotierstoffs 16 führen. Durch den zweiten Temperaturschritt wird der in die Grabenböden 14 implantierte zweite Dotierstoff 18 unter Bildung von vergrabenen und in das Puffergebiet 26 vollständig eingebetteten Schutzgebieten 28 zumindest teilweise ausdiffundiert. Die Schutzgebiete 28 umgeben dabei weitgehend vollständig die Grabenböden 14 und sind in Bezug auf die Grabenböden 14 in vertikaler Richtung in etwa symmetrisch ausgebildet. Die Schutzgebiete 28 können eine Dotierstoffkonzentration von etwa 3·10¹⁶/cm³ bis etwa 1·10¹⁷/cm³ aufweisen. Der zweite Temperaturschritt ist hinsichtlich der Ausdiffusion des zweiten Dotierstoffs 18 der wesentliche Temperaturschritt.
Durch den zweiten Temperaturschritt wird weiterhin der in die oberflächennahen Bereiche der Mesa-Strukturen 12 implantierte zweite Dotierstoff 18 in den Halbleiterkörper 2 hinein ausdiffundiert. Dadurch werden Bodygebiete 34 zwischen den Gräben 10 gebildet. Die Bodygebiete 34 weisen eine maximale Dotierstoffkonzentration von etwa 5·10¹⁶/cm³ bis etwa 5·10¹⁷/cm³ auf. Wie in 1E gezeigt, grenzen die Bodygebiete 34 direkt an das Puffergebiet 26 an und führen dort zur Ausbildung eines pn-Übergangs 35. Die vertikale Lage des sich im wesentlichen lateral erstreckenden pn-Übergangs 35 hängt von der Tiefe der Gräben 10, der verwendeten Implantationsdosis für den ersten und zweiten Dotierstoff sowie die Temperatur und Länge des ersten und zweiten Temperaturschritts ab. Ebenso spielt die Diffusionskonstante der einzelnen Dotierstoffe eine Rolle.
Wie aus den 1C und 1E erkennbar, diffundieren das Puffergebiet 26 und die Bodygebiete 34 aufeinander zu, da die Ausdiffusion der Bodygebiete 34 von den oberflächennahen Bereichen der Mesa-Strukturen 12 und die Ausdiffusion des Puffergebiets 26 aus dem Bereich der Grabenböden 14 erfolgt. Die Ausdiffusion des Puffergebiets 26 aus der Tiefe des Halblei terkörpers 2, d. h. aus dem Bereich der Grabenböden 14, hat mehrere Vorteile.
Zum Einen beginnt die Ausdiffusion des Puffergebiets gerade in solchen Bereichen im Halbleiterkörper 2, in denen das Puffergebiet 26 ausgebildet werden soll. Dies ist insbesondere im Vergleich zu solchen Herstellungsverfahren von Vorteil, bei denen eine Ausdiffusion von der Oberfläche des Halbleiterkörpers her erfolgt. Bei solchen Herstellungsverfahren muss nämlich der eingebrachte Dotierstoff zur Bildung eines Puffergebiets sehr lange oder bei sehr hohen Temperaturen ausdiffundiert werden, damit das Puffergebiet 26 auch die Böden der Gräben 10 umschließt. Durch das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform kann daher die Diffusionszeit bzw. Diffusionstemperatur und damit das erforderliche Temperaturbudget deutlich reduziert werden. Außerdem erfolgt die Ausbildung des Puffergebiets 26 praktisch von selbst um die Grabenböden 14 herum.
Zum Anderen, da der erste Dotierstoff nur in die Grabenböden 14 und nicht in oberflächennahe Bereiche der Mesa-Strukturen 12 implantiert wird, wirkt der erste Dotierstoff 16 in den Mesa-Strukturen 12 auch nicht als Hintergrunddotierung des zweiten Dotierstoffs 18. Dadurch kann die Implantationsdosis für den zweiten Dotierstoff 18 vergleichsweise gering sein, wodurch sich die Eigenschaften der Bodygebiete 34 insbesondere im Hinblick auf eine geringe Kanaldotierung und erhöhte Kanalmobilität der Ladungsträger leichter gezielt einstellen lassen. Die bezweckte Implantation des ersten Dotierstoffs 16 lediglich in die Grabenböden 14 wirkt sich ebenfalls günstig auf die Einsatzspannung der Halbleiterbauelemente aus. Da der erste Dotierstoff 16 nicht in die Mesa-Strukturen 12 implantiert wird, kann er dort auch nicht die Einsatzspannung der Halbleiterbauelemente beeinflussen. Bei Implantationsverfahren werden häufig lokale Schwankungen der implantierten Dosis beobachtet, die zu Schwankungen der Dotierstoffkonzentration und damit auch der Einsatzspannung führen können. Durch Vermeidung der Implantation des ersten Dotierstoffs 16 in die Mesa-Strukturen 12 können daher die Schwankungen der Einsatzspannung zwischen benachbarten Zellen deutlich verringert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Implantationsmasken verwendet werden, sondern lediglich die zur Ätzung der Gräben 10 genutzte Maske 6 nachfolgend auch als Implantationsmaske verwendet wird. Dadurch ist das Herstellungsverfahren insgesamt kostengünstig.
Das Herstellungsverfahren benötigt somit keine zusätzlichen Masken, führt weder zu einer Erhöhung des thermischen Budgets, noch zu einer Erhöhung der erforderlichen Prozessschritte und verhindert gleichzeitig eine hohe Konzentration des zweiten Dotierstoffs 18 in der Kanalregion, welche zu unerwünschten Variationen der Einsatzspannung der einzelnen Zellen des Halbleiterbauelements führen kann.
Günstig ist, ein Verhältnis der Implantationsdosis von erstem Dotierstoff zu zweitem Dotierstoff 18 von etwa 1:3 bis etwa 1:10 einzustellen. Dadurch wird erreicht, dass das Verhältnis der Dotierstoffkonzentration von Puffergebiet 26 zu Schutzgebieten 28 im Bereich der Grabenböden 14 etwa zwischen 1:4 und etwa 1:12 liegt. Diese Bereiche haben sich als günstig für die Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen und insbesondere zur Vermeidung von elektrischen Durchbrüchen im Bereich der Grabenböden 14 herausgestellt.
Zum besseren Verständnis der geeigneten Implantationsdosen für die erste Ausführungsform wird auf 11 verwiesen, welche eine grafische Darstellung geeigneter Implantationsdosen zeigt. Mit 60 ist der maximale Bereich für die Phosphorimplantationsdosis (etwa 6·10¹²/cm² bis etwa 3·10¹³/cm²) und die Borimplantationsdosis (etwa 4·10¹³/cm² bis etwa 1·10¹⁴/cm²) für ein Beispiel gezeigt, während mit 61 der Bereich für ein zweites Beispiel (Phosphor: etwa 8·10¹²/cm² bis etwa 2,5·10¹³/cm²; Bor: etwa 6·10¹³/cm² bis etwa 9·10¹³/cm²) angedeutet ist. Dabei kann zusätzlich noch die Nebenbedingung hinsichtlich des Verhältnisses der Implantationsdosen von Phosphor zu Bor berücksichtigt werden, wobei 62 eine Grenze des Verhältnisses von 1:10 und 63 die andere Grenze des Verhältnisses von 1:3 zeigt. Beispielsweise können die Implantationsdosen so gewählt werden, dass sie innerhalb des Bereichs 60 und zusätzlich innerhalb des Bereichs zwischen den Geraden 62 und 63 liegen, bzw. innerhalb des Bereichs 61 und den Geraden 62 und 63. In einigen Beispielen hat sich gezeigt, dass die Borimplantationsdosis (zweiter Dotierstoff) im Verhältnis zur Phosphorimplantationsdosis möglichst hoch gewählt werden sollte (beispielsweise 8·10¹³/cm²), um die Einsatzspannung Vgeth geeignet einstellen zu können.
Abschließend erfolgt die Bildung eines Emittergebiets 50 an einer der ersten Oberfläche 4 gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 56 des Halbleiterkörpers 2 durch beispielsweise geeignete Implantation oder Belegung und Ausdiffusion. Zwischen dem Emittergebiet 50 und dem Driftgebiet 48 kann auch eine hier nicht gezeigte Feldstoppschicht, bei der es sich um eine hoch dotierte n-leitende Schicht handelt, ausgebildet werden. Auf der zweiten Oberfläche 56 wird dann eine Rückseitenelektrode 52 mit einem Elektrodenanschluss 54 gebildet.
In oberflächennahen Bereichen der Mesa-Strukturen 12 werden. Sourcegebiete 36 und Bodyanschlussgebiete 38 gebildet. Die Sourcegebiete 36 sind hoch dotierte n-leitende Gebiete und weisen eine maximale Dotierstoffkonzentration von etwa 1·10²⁰/cm³ bis etwa 1·10²¹/cm³ auf. Die Sourcegebiete 36 bilden mit den Bodygebieten 34 einen pn-Übergang 37 und grenzen an die Gräben 10 an. Die Bodyanschlussgebiete 38 sind hoch dotierte p-leitende Gebiete und weisen eine Dotierstoffkonzentration von etwa 1·10¹⁸/cm³ bis etwa 1·10²⁰/cm³ auf. Die Gräben 10 werden mit einem Isolationsgebiet 40 verschlossen, so dass sie gegen die nachfolgend aufzubringende Vorderseitenelektrode 44 isoliert sind. Die in den Gräben 10 angeordneten Gateelektroden 24 werden durch geeignete Gateanschlüsse 42 kontaktiert. Die Vorderseitenelektrode 44 ist mit einem Elektrodenanschluss 46 verbunden. Die so erhaltene Struktur ist in 1F dargestellt. Dabei handelt es sich hier um einen IGBT. Alternativ ist es möglich, einen Leistungsfeldeffekttransistor herzustellen. Dabei wird anstelle des in 1F gezeigten Emittergebiets 50 ein n-dotiertes Draingebiet an der zweiten Oberfläche 56 des Halbleiterkörpers 2 erzeugt. In beiden Fällen handelt es sich um sogenannte vertikale Bauelemente, da der Stromfluss im Wesentlichen von der ersten Oberfläche 4 zur zweiten Oberfläche 56 verläuft.
Durch die einzelnen Gräben 10 werden separate Zellen eines Halbleiterbauelements definiert, die zusammen ein Leistungshalbleiterbauelement bilden. Durch Bildung von entsprechend vielen Zellen kann der wirksame Querschnitt für den Stromfluss entsprechend erhöht werden, so dass Leistungshalbleiterbauelemente mit hohen Nennströmen typischerweise viele Zellen umfassen. Die in 1F im rechten Bereich gezeigte Zelle bildet dabei eine Randzelle. Nach links setzt sich dagegen die Struktur symmetrisch fort und wird dann erneut von einer Randzelle abgeschlossen.
Die Gräben 10 sind typischerweise vom Driftgebiet 48 beabstandet und oberhalb von diesem ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform umgibt das Puffergebiet 26 den unteren Bereich der Gräben 10 vollständig, so dass die Gräben 10 oberhalb des Driftgebiets 48 angeordnet sind. Das Puffergebiet 26 grenzt ebenfalls an die Bodygebiete 34 an. Sofern das Puffergebiet 26 nicht als durchgängige Schicht ausgebildet ist, kann das Driftgebiet 48 auch zwischen den Gräben 10 bis zu den Bodygebieten 34 reichen. Der untere Bereich der Gräben 10 einschließlich der Grabenböden 14 bleibt jedoch vollständig von dem Puffergebiet 26 sowie den Schutzgebieten 28 umgeben. Es ist ebenfalls möglich, das Puffergebiet 26 als durchgängige Schicht auszubilden ohne dass sie in direktem Kontakt mit den Bodygebieten 48 steht. In diesem Fall ist das Puffergebiet 26 als vergrabene Schicht in dem Driftgebiet 48 ausgebildet und der pn-Übergang bildet sich zwischen einem oberhalb des Puffergebiets 26 verbleibenden Bereich des Driftgebiets 48 und den Bodygebieten 34 heraus. Typischerweise sind die Bodygebiete 34 oberhalb der Grabenböden 14 angeordnet und von diesen beabstandet.
Die Wirkungsweise des Puffergebiets 26 sowie der Schutzgebiete 28 soll anhand der in 1F gezeigten Struktur eines IGBTs erläutert werden. Im Sperrfall wird die Sperrspannung im Puffergebiet 26 bzw. dem Driftgebiet 48 abgebaut. Stellt man sich die elektrischen Verhältnisse anhand der Potentiallinien vor, so treten hohe Feldstärken in solchen Bereichen auf, in denen die Potentiallinien gedrängt sind. Die Lage der Potentiallinien wird dabei durch die Dotierstoffverteilung sowie geometrische Randbedingungen bestimmt. Inhomogenitäten führen typischerweise zu einer Verdichtung der Potentiallinien und damit zu einer lokalen Erhöhung der Feldstärke. Daher werden hohe Feldstärken auch im Bereich der Grabenböden 14 beobachtet. Durch die p-dotierten Schutzgebiete 28 werden die elektrischen Verhältnisse nun so verändert, dass die elektrischen Potentiallinien aus der unmittelbaren Umgebung um die Grabenböden 14 herum zumindest teilweise herausgedrängt werden. Dadurch wird dort die Ausbildung von hohen Feldstärken vermieden. Dies ist beispielsweise in 5A und 5B dargestellt. 5A zeigt dabei die Struktur eines konventionellen Halbleiterbauelements, bei dem kein Schutzgebiet vom zweiten Leitungstyp im Bereich der Grabenböden 14 vorhanden ist. Wie erkennbar, ist dort unmittelbar unterhalb des Grabenbodens die elektrische Feldstärke vergleichsweise stark. Im Gegensatz dazu ist, wie in 5B gezeigt, das Maximum der elektrischen Feldstärke weiter in die Tiefe des Halbleiterkörpers 2 und aus dem Bereich der Grabenböden 14 verschoben. Dies wird durch die Schutzgebiete 28 erreicht.
Verbunden damit ist auch ein Verschieben des Ortes der höchsten Stoßionisationsrate beim Durchbruch, wie aus dem Vergleich der 6A und 6B erkennbar ist. Aufgrund der Schutzgebiete 28 ist das Maximum der Stoßionisationsrate lokal von den Gräben 10 und insbesondere den Grabenböden verdrängt, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass heiße Ladungsträger in das Gateoxid 22 injiziert werden können, deutlich reduziert ist. Die Injektion von heißen Ladungsträgern in das Gateoxid 22 ist für ein Verschieben der Schaltparameter bei Zuverlässigkeitstests verantwortlich, bei denen Ströme, die 2- bis 7-mal so hoch sind wie der Nennstrom des Halbleiterbauelements, mehrfach geschaltet werden. Eventuell dabei injizierte heiße Ladungsträger würden langfristig zum Ausfall des Halbleiterbauelements führen. Daher verbessern die Schutzgebiete 28 die Langzeitzuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente.
Wie sich bei Versuchen herausgestellt hat, führt das Verschieben des Durchbruchsorts weg vom Gateoxid auch zu verbesserten dynamischen Schalteigenschaften des Halbleiterbauelements, welches damit besser in der Lage ist, sich dynamisch an Spannungsspitzen, die beispielsweise durch Selbstinduktion beim Abschalten von hohen Lastströmen auftreten können, anzupassen.
Darüber hinaus führt das im Vergleich zum Driftgebiet 48 höher dotierte Puffergebiet 26 zu einer Verbesserung der Bauteileigenschaften im Durchlassfall, da das höher dotierte Puffergebiet 26 zu einer Verringerung des Einschaltwiderstandes Ron führt.
Aus den 2 bis 4 ist der Einfluss der Borimplantationsdosis, d. h. der Implantationsdosis des zweiten Dotierstoffs 18, auf die Durchbruchspannung BVces (2), die Spannung Vcesat im eingeschalteten Zustand (3) sowie die Einsatzspannung Vgeth (4) zu erkennen. Mit BVces wird die Spannung zwischen Vorderelektrode 44, welche schaltungstechnisch auch als Emitter bezeichnet wird, und der Rückseitenelektrode 52, welche schaltungstechnisch auch als Kollektor bezeichnet wird, bezeichnet. Vcesat wird ebenfalls zwischen Vorderelektrode 44 und Rückseitenelektrode 50 ermittelt. Vgeth ist die Spannung, welche an die Gateelektrode 24 angelegt werden muss, damit im Bodygebiet 34 ein leitfähiger Kanal aufgebaut wird.
Die entsprechenden Abhängigkeiten wurden bei unterschiedlichen Phosphorimplantationsdosen, d. h. Dosis des ersten Dotierstoffs 16, aufgetragen. Die jeweiligen Phosphorimplantationsdosen in cm^–2 sind in der entsprechenden Legende zu jeder Kurve angegeben. Zu erkennen ist, dass die Borimplantationsdosis höher sein sollte als die Phosphorimplantationsdosis. Günstige Prozessparameter für die in 1A bis 1F gezeigte Ausführungsform sind beispielsweise eine Phosphorimplantationsdosis von 1·10¹³/cm² und eine Borimplantationsdosis von etwa 8·10¹³/cm². Dadurch ergibt sich ein Verhältnis der Implantationsdosen von etwa 1:8. Die gewählten Implantationsdosen führen zu einer Dotierstoffkonzentration des Puffergebiets 26 von etwa 8·10¹⁵/cm³ und der Schutzgebiete 28 von etwa 8·10¹⁶/cm³. Dies entspricht einem Verhältnis der Dotierstoffkonzentrationen von etwa 1:10. Das im Vergleich zu den Implantationsdosen leicht erhöhte Verhältnis der Dotierstoffkonzentrationen wird dadurch verursacht, dass das Puffergebiet 26 räumlich weiter ausdiffundiert als die Schutzgebiete 28. Die Ausbildung von Puffergebiet 26 bzw. Puffergebieten 26 und Schutzgebieten 28 führt auch zur Verbesserung der Abstimmung zwischen Vcesat-Eoff (Vcesat-Eoff trade-off).
Mit Bezug auf die 7A bis 7F wird eine zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben. Die ersten Schritte dieser Ausführungsform, die in 7A und 7B gezeigt sind, stimmen mit den in 1A und 1B gezeigten Schritten überein. Daher wird auf eine Wiederholung der Beschreibung verzichtet.
Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird nach erfolgter Implantation des ersten Dotierstoffs 16 die Maske 6 nicht entfernt. Die Maske 6 verbleibt daher auch während des ersten Temperaturschritts auf der ersten Oberfläche des Halbleiterkörpers 2. Dadurch entstehen während der Ausdiffusion des ersten Dotierstoffs 16 Hilfsoxidschichten 20 lediglich auf den freiliegenden Oberflächenbereichen der Gräben 10. Die erste Temperaturbehandlung der zweiten Ausführungsform kann prinzipiell bei den gleichen Prozessparametern wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt werden. Die so erhaltene Struktur zeigt 7C.
Nachfolgend wird unter Verwendung der Maske 6 der zweite Dotierstoff 18 implantiert. Aufgrund der Maske 6 erfolgt die Implantation lediglich in die Grabenböden 14. Im Vergleich zur ersten Ausführungsform kann die Implantationsdosis des zweiten Dotierstoffs 18, bei dem es sich hier um Bor handelt, auf Werte zwischen ungefähr 2·10¹³/cm² bis etwa 5·10¹³/cm² reduziert werden. Dadurch liegt das Verhältnis der Implantationsdosis von erstem Dotierstoff 16 zu zweitem Dotierstoff 18 beispielsweise etwa zwischen 1:3 bis etwa 1:5.
Typische Implantationsdosen für die zweite Ausführungsform können der 12 entnommen werden, wobei mit 70 ein Bereich für die Phosphorimplantationsdosis (von etwa 1·10¹²/cm² bis etwa 3·10¹³/cm²) und die Borimplantationsdosis (von etwa 3·10¹²/cm² bis etwa 1·10¹⁴/cm²) für ein erstes Beispiel und mit 71 ein Bereich für ein zweites Beispiel (Phosphor: von etwa 2·10¹²/cm² bis etwa 2·10¹³/cm²; Bor: etwa von 1,2·10¹³/cm² bis etwa 6·10¹³/cm²) jeweils gezeigt ist. Zusätzlich können Nebenbedingungen hinsichtlich des Verhältnisses der Implantationsdosen von Phosphor zu Bor berücksichtigt werden, wobei 72 ein Verhältnis von 1:10 und 73 ein Verhältnis von 1:3 angibt. Die Implantationsdosen können so gewählt werden, dass sie innerhalb der Gebiet 70 bzw. 71 und zusätzlich innerhalb der Geraden 72 und 73 liegen. Gegenüber der ersten Ausführungsform können die Implantationsdosen reduziert werden.
Durch eine nachfolgende zweite Temperaturbehandlung wird der zweite Dotierstoff 18 ausdiffundiert und bildet dabei Schutzgebiete 28 im Bereich der Grabenböden 14. Danach werden die Hilfsoxidschichten 20 sowie die Maske 6 geeignet, beispielsweise nasschemisch, entfernt.
Die Implantationsdosis des zweiten Dotierstoffs 18 kann in Abhängigkeit von der Implantationsdosis des ersten Dotierstoffs geeignet skaliert werden. Beispielsweise ist es möglich, den zweiten Dotierstoff 18 mit einer etwa 4-mal so hohen Implantationsdosis wie den ersten Dotierstoff 16 zu implantieren. Dadurch wird sichergestellt, dass der zweite Dotierstoff 18 immer in einer ausreichend hohen Konzentration vorliegt. Es ist jedoch auch möglich, die Implantationsdosis des zweiten Dotierstoffs auf Werte von etwa 1,5·10¹³/cm² bis etwa 2·10¹³/cm² zu reduzieren. In diesem Fall sollte jedoch die Implantationsdosis des ersten Dotierstoffs entsprechend gering gewählt werden, um einen Abfall der Durchbruchspannung BVces, wie beispielsweise aus 8 ersichtlich, zu vermeiden.
Nachfolgend erfolgt, vergleichbar zu den im Zusammenhang mit 1E der ersten Ausführungsform beschriebenen Schritten, die Bildung der Gatelektroden 24 in den Gräben 10, d. h. die Gräben 10 werden mit einem leitfähigen Material 24 weitgehend gefüllt. Danach wird ein dritter Dotierstoff 19 in oberflächennahe Bereiche der Mesa-Strukturen 12 eingebracht, beispielsweise implantiert. Beim dritten Dotierstoff 19 kann es sich beispielsweise um Bor handeln, der mit einer Implantationsdosis von etwa 8·10¹²/cm² bis etwa 5·10¹³/cm² implantiert wird. Durch das Füllen der Gräben 10 mit dem leitfähigen Material werden die Grabenböden 14 geschützt, so dass bei der Implantation des dritten Dotierstoffs 19 dieser nicht in die Grabenböden 14 implantiert wird. Die so erhaltene Struktur zeigt 7E.
Mit einem nachfolgenden dritten Temperaturschritt erfolgt die Ausdiffusion des dritten Dotierstoffs 19, wodurch sich die Bodygebiete 34 in den Mesa-Strukturen 12 herausbilden. Ggf. kann der zweite Temperaturschritt auch mit dem dritten Temperaturschritt zusammengefasst werden, so dass dann gleichzeitig Bodygebiete und Schutzgebiete ausdiffundiert werden. Die so erhaltene Struktur zeigt 7F. Der dritte Temperaturschritt kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1100°C bis etwa 1200°C und insbesondere bei etwa 1150°C für etwa 60 Minuten durchgeführt werden.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Implantation für die Bildung der Schutzgebiete 28 und der Bodygebiete 34 unabhängig voneinander erfolgt und dadurch besser auf die ge wünschten Anforderungen angepasst werden kann. Außerdem gestatten die separaten Temperaturschritte eine bessere Kontrolle der Ausdiffusion. Beispielsweise kann die Implantationsdosis für den ersten Dotierstoff 16 im Bereich von etwa 1·10¹³/cm² und für den zweiten Dotierstoff 18 bei etwa 4·10¹³/cm² liegen. Dies entspricht einem Verhältnis der Implantationsdosen von etwa 1:4. Diese Implantationsdosen führen zu einer Dotierstoffkonzentration des Puffergebiets 26 von etwa 8·10¹⁵/cm³ und der Schutzgebiete 28 von etwa 4·10¹⁶/cm³. Dies entspricht einem Verhältnis von etwa 1:5. Die Dotierstoffkonzentration des zweiten Dotierstoffs 18 kann daher im Vergleich zur ersten Ausführungsform reduziert werden. Dies wirkt sich jedoch nicht nachteilig auf die Dotierstoffkonzentration der Bodygebiete 34 aus, da zu deren Herstellung eine separate Implantation erfolgt. Grundsätzlich kann die Dotierstoffkonzentration für das Puffergebiet 26 zwischen etwa 8·10¹⁴/cm³ und etwa 3·10¹⁶/cm³ und für die Schutzgebiete 28 zwischen etwa 2·10¹⁵/cm³ und etwa 1·10¹⁷/cm³ liegen.
Abschließend erfolgt, vergleichbar zu den im Zusammenhang mit 1F der ersten Ausführungsform beschriebenen Schritten, die Bildung eines Emittergebietes bzw. eines Draingebietes, der Rückseitenelektrode sowie der Sourcegebiete, Bodyanschlussgebiete und der Vorderseitenelektrode.
Das Verfahren der zweiten Ausführungsform hat, wie bei der ersten Ausführungsform, ebenfalls die Vorteile, dass keine weiteren Masken benötigt werden und die Ausdiffusion "aus der Tiefe" des Halbleiterkörpers 2 erfolgt. Mit dem Verfahren der zweiten Ausführungsform lassen sich ebenfalls die gleichen Strukturen erzeugen und die gleichen Vorteile erreichen wie mit dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform, weshalb auf eine Wiederholung verzichtet wird.
8 bis 10 zeigen Simulationsergebnisse bezüglich der Durchbruchspannung BVces (8), der Spannung Vcesat im eingeschalteten Zustand (9) und der Einsatzspannung Vgeth (10) in Abhängigkeit von der Phosphor- und der Borimplantationsdosis. Die hier gezeigten Simulationsergebnisse beruhen auf Halbleiterbauelementen, die gemäß der zweiten Ausführungsform hergestellt wurden. Die angedeuteten Borimplantationsdosen beziehen sich auf die Implantation des zweiten Dotierstoffs 18 in die Grabenböden 14. Allen Simulationen wurde eine Grabentiefe von etwa 4 μm zugrunde gelegt. Bei den Kurven, bei denen die Borimplantationsdosis mit der Phosphorimplantationsdosis skaliert, ist die jeweilige Borimplantationsdosis unmittelbar angegeben. Bei den übrigen Kurven ist in der Legende die jeweilige konstante Borimplantationsdosis angegeben. Die Implantatationsdosen sind in cm^–2 angegeben.
Wie erkennbar, ist bei vergleichsweise geringen Phosphorimplantationsdosen von kleiner als 1·10¹³/cm² die Durchbruchsspannung BVces sehr hoch. Der Abfall der Durchbruchsspannung BVces oberhalb einer Phosphorimplantatiopnsdosis von etwa 1·10¹³/cm² kann durch Erhöhung der Borimplantationsdosis bzw. durch Skalrierung der Borimplantationsdosis mit der Phosphorimplantationsdosis, beispielsweise im Verhältnis von 1:4 von Phosphorimplantationsdosis zu Borimplantationsdosis, kompensiert werden. Ebenso hat sich in hier nicht gezeigten Simulationen und Experimenten herausgestellt, dass die Durchbruchsspannung Bvces bei gleichen Implantationsdosen, allerdings bei einer Grabentiefe von etwa 6 μm, geringer ist. Da bei der zweiten Ausführungsform die Implantationsdosen in einem vergleichsweise großen Bereich variiert werden können, lassen sich Bvces, Vcesat und Vgeth auch bei Variation der Grabentiefe geeignet einstellen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst geeignete Modifikationen innerhalb des durch die Ansprüche aufgezeigten Rahmens. Die anhängenden Ansprüche sind als erster, nicht bindender Versuch zu verstehen, die Erfindung mit allgemeinen Worten zu beschreiben.

2: Halbleiterkörper
4: erste Oberfläche
6: Maske
8: Öffnungen
10: Gräben
12: Mesa-Strukturen
14: Grabenböden
16: erster Dotierstoff
18: zweite Dotierstoff
19: dritter Dotierstoff
20: Hilfsoxid
22: Gateoxid/Gatedielektrikum
24: Gateelektrode
26: Puffergebiet
28: Schutzgebiet
30: P-Wanne
32: Feldoxid
34: Bodygebiet
35: pn-Übergang
36: Sourcegebiet
37: pn-Übergang
38: Bodyanschluss
40: Isolationsgebiet
42: Gateanschluss
44: Vorderseitenelektrode
46: Elektrodenanschluss
48: Driftgebiet
50: Emittergebiet
52: Rückseitenelektrode
54: Elektrodenanschluss
56: zweite Oberfläche
60: erster Bereich
61: zweiter Bereich
62, 63: Verhältnis zwischen Implantationsdosen
70: erster Bereich
71: zweiter Bereich
72, 73: Verhältnis zwischen Implantationsdosen

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (2) mit einer ersten Oberfläche (4); – Bilden einer Maske (6) auf der ersten Oberfläche (4), wobei die Maske (6) Öffnungen (8) zum Definieren der Lage von Gräben aufweist; – Erzeugen von Gräben (10) im Halbleiterkörper (2) unter Verwendung der Maske (6), wobei Mesa-Strukturen (12) zwischen benachbarten Gräben (10) verbleiben; – Einbringen eines ersten Dotierstoffs (16) vom ersten Leitungstyp unter Verwendung der Maske (6) in die Böden (14) der Gräben (10); – Durchführen eines ersten Temperaturschritts; – Einbringen eines zweiten Dotierstoffs (18) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp zumindest in die Böden (14) der Gräben (10); und – Durchführen eines zweiten Temperaturschritts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Dotierstoff (16, 18) jeweils mittels Implantation in den Halbleiterkörper (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis der Implantationsdosis von erstem Dotierstoff (16) zu zweitem Dotierstoff (18) zwischen etwa 1:3 bis etwa 1:10 liegt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Dotierstoff (16) mit einer Dosis von etwa 1·10¹²/cm² bis etwa 3·10¹³/cm² implantiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der zweite Dotierstoff (18) mit einer Dosis von etwa 3·10¹²/cm² bis etwa 1·10¹⁴/cm² implantiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei durch den ersten Temperaturschritt der erste Dotierstoff (16) zur Bildung wenigstens eines vergrabenen Puffergebiets (26) zumindest teilweise ausdiffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei durch den zweiten Temperaturschritt der zweite Dotierstoff (18) zur Bildung von Schutzgebieten (28) zumindest teilweise ausdiffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Schutzgebiete vollständig von dem Puffergebiet (26) umgeben sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gräben (10) mit einem Gatedielektrikum (22) ausgekleidet und mit einem leitfähigen Material (24) gefüllt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (2) ein Halbleitergebiet (48) vom ersten Leitungstyp aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Halbleiterkörper (2) eine zweite Oberfläche (56) aufweist, die gegenüber der ersten Oberfläche (4) angeordnet ist, und auf der zweiten Oberfläche (56) eine Rückseitenelektrode (52) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Halbleiterkörper (2) an der zweiten Oberfläche (56) ein Halbleitergebiet (50) vom zweiten Leitungstyp ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei vor dem Einbringen bzw. vor der Implantation des zweiten Dotierstoffs (18) die Maske (6) entfernt wird, so dass beim Einbringen bzw. bei der Implantation des zweiten Dotierstoffs (18) dieser auch in die Mesa-Strukturen (12) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Dotierstoff (16) mit einer Dosis von etwa 6·10¹²/cm² bis etwa 3·10¹³/cm² und insbesondere mit einer Dosis von etwa 8·10¹²/cm² bis etwa 2,5·10¹³/cm² implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der zweite Dotierstoff (18) mit einer Dosis von etwa 4·10¹³/cm² bis etwa 1·10¹⁴/cm² und insbesondere mit einer Dosis von etwa 6·10¹³/cm² bis etwa 9·10¹³/cm² implantiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei durch den zweiten Temperaturschritt der in die Mesa-Strukturen (12) eingebrachte zweite Dotierstoff (18) zur Bildung von Bodygebieten (34) in den Mesa-Strukturen (12) zumindest teilweise ausdiffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Bodygebiete (34) mit dem Puffergebiet (26) und/oder dem Halbleitergebiet (48) einen pn-Übergang (35) ausbilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der zweite Dotierstoff (18) unter Verwendung der Maske (6) eingebracht bzw. implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der erste Dotierstoff (16) mit einer Dosis von etwa 2·10¹²/cm² bis etwa 2·10¹³/cm² implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei der zweite Dotierstoff (18) mit einer Dosis von etwa 1,2·10¹³/cm² bis etwa 6·10¹³/cm² implantiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, weiterhin aufweisend die Schritte: – Entfernen der Maske (6) nach Einbringen des zweiten Dotierstoffs (18); – Einbringen eines dritten Dotierstoffs (19) vom zweiten Leitungstyp in die Mesa-Strukturen (12); – Durchführen eines Temperaturschritts, bei dem der dritte Dotierstoff (19) zur Bildung von Bodygebieten (34) zumindest teilweise ausdiffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bodygebiete (34) mit dem Puffergebiet (26) und/oder dem Halbleitergebiet (48) einen pn-Übergang (35) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei der dritte Dotierstoff (19) in die Mesa-Strukturen (12) implantiert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der dritte Dotierstoff (19) mit einer Dosis von etwa 8·10¹²/cm² bis etwa 5·10¹³/cm² implantiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Sourcegebiete (36) in den Bodygebieten (34) erzeugt werden.
Halbleiterbauelement, aufweisend: – einen Halbleiterkörper (2) mit einer ersten Oberfläche (4) und einer der ersten Oberfläche (4) gegenüberliegend angeordneten zweiten Oberfläche (56); – eine Vielzahl von Gräben (10), die sich ausgehend von der ersten Oberfläche (4) im Wesentlichen senkrecht in den Halbleiterkörper (2) erstrecken; – Mesa-Strukturen (12) zwischen benachbarten Gräben (10); – zumindest ein Driftgebiet (48) vom ersten Leitungstyp, das zwischen den Gräben (10) und der zweiten Oberfläche (56) angeordnet ist; – Bodygebiete (34) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp, die in den Mesa-Strukturen (12) zwischen dem Driftgebiet (48) und der ersten Oberfläche (4) angeordnet sind; – zumindest ein Puffergebiet (26) vom ersten Leitungstyp, welches einen zur zweiten Oberfläche (56) hin weisenden unteren Bereich der Gräben (10) einschließlich der Böden (14) der Gräben (10) umgibt und zwischen dem Driftgebiet (48) und den Bodygebieten (34) angeordnet ist, wobei das Puffergebiet (26) eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (48) aufweist; – zumindest ein Schutzgebiet (28) vom zweiten Leitungstyp, das den Boden (14) zumindest eines Grabens (10) umgibt und das vollständig in das Puffergebiet (26) eingebettet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 26, wobei das Verhältnis der Dotierstoffkonzentration von Puffergebiet (26) zu Schutzgebiet (28) im Bereich des Grabenbodens (14) etwa zwischen 1:4 und etwa 1:12 liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 26 oder 27, wobei das Puffergebiet (26) eine Dotierstoffkonzentration von etwa 8·10¹⁴/cm³ bis etwa 3·10¹⁶/cm³ aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Schutzgebiet (28) eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2·10¹⁵/cm³ bis etwa 1·10¹⁷/cm³ aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei in den Mesa-Strukturen (12) an der ersten Oberfläche (4) Sourcegebiete (36) vom ersten Leitungstyp angeordnet sind, die an die Gräben (10) angrenzen.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei in den Gräben (10) Gateelektroden (24) angeordnet sind, die gegenüber dem Halbleiterkörper (2) durch ein Gatedielektrikum (22) isoliert sind.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 26 bis 31, wobei auf der zweiten Oberfläche (56) eine Rückseitenelektrode (52) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 32, wobei zwischen dem Driftgebiet (48) und der Rückseitenelektrode (52) ein Draingebiet vom ersten Leitungstyp angeordnet ist, das eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (48) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 31 oder 32, wobei zwischen dem Driftgebiet (48) oder dem Draingebiet und der Rückseitenelektrode (52) ein Emittergebiet (50) vom zweiten Leitungstyp angeordnet ist.
Halbleiterbauelement, aufweisend: – eine Rückseitenelektrode (52); – ein Driftgebiet (48) vom ersten Leitungstyp auf der Rückseitenelektrode (52); – zumindest ein Puffergebiet (26) vom ersten Leitungstyp auf dem Driftgebiet (48) auf der von der Rückseitenelektrode (52) abgewandten Seite, wobei das Puffergebiet (26) eine höhere Dotierstoffkonzentration als das Driftgebiet (48) aufweist; – Bodygebiete (34) vom zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp auf dem Puffergebiet (26) auf der vom Driftgebiet (48) abgewandten Seite; – Gräben (10), welche sich durch die Bodygebiete (34) bis zu dem Puffergebiet (26) erstrecken; – Schutzgebiete (28) vom zweiten Leitungstyp, welche vollständig in das Puffergebiet (26) eingebettet sind und die zur Rückseitenelektrode (52) weisenden Böden (14) der Gräben (10) umgeben.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 35, wobei das Verhältnis der Dotierstoffkonzentration von Puffergebiet (26) zu Schutzgebiet (28) im Bereich der Böden (14) der Gräben (10) etwa zwischen 1:4 und etwa 1:12 liegt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 35 oder 36, wobei das Puffergebiet (26) eine Dotierstoffkonzentration von etwa 8·10¹⁴/cm³ bis etwa 3·10¹⁶/cm³ aufweist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei die Schutzgebiete (28) eine Dotierstoffkonzentration von etwa 2·10¹⁵/cm³ bis etwa 1·10¹⁷/cm³ aufweisen.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 35 bis 38, wobei zumindest ein pn-Übergang (35) zwischen dem Puffergebiet (26) und den Bodygebieten (34) ausgebildet ist.