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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens,
bei dem in einem Halbleiterkörper Defekte
erzeugt und mit Wasserstoff korrelierte Defekt-Komplexe ausgebildet
werden.
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Kompensationsbauelemente
sind bekanntlich Hochvoltbauelemente mit einer Spannungsfestigkeit über 300
V, welche sich durch einen um ungefähr eine Größenordnung gegenüber anderen
Hochvoltbauelementen reduzierten Einschaltwiderstand auszeichnen
und daher äußerst vorteilhaft
sind. In solchen Kompensationsbauelementen sind beispielsweise in
die n-leitende Driftzone eines n-Kanal-Transistors p-leitende Kompensationsgebiete
eingelagert; die Dotierstoffmengen in diesen p-leitenden Kompensationsgebieten
sind so eingestellt, dass mit der n-leitenden Umgebung der Driftzone Ladungskompensation
besteht.
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In
einem Vertikalbauelement bestehen die Kompensationsgebiete in bevorzugter
Weise aus säulenförmigen Zonen,
die in der Driftstrecke im Bereich zwischen der Bodyzone und der
Drainzone gelegen sind.
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Zur
Herstellung eines solchen Kompensationsbauelementes wird derzeit
bevorzugt die so genannte Aufbautechnik eingesetzt, die aus einer
mehrmaligen Abfolge einer Prozesssequenz mit einer maskierten niederenergetischen
Implantation und der Abscheidung einer Epitaxieschicht besteht.
Die Aufbautechnik ist aufwändig,
was auf diese mehrfache Abfolge der Prozesssequenz zurückzuführen ist.
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Bei
der Aufbautechnik werden beispielsweise zur Herstellung eines n-Kanal-Transistors
n-leitende Epitaxieschichten abge schieden, in die jeweils nach deren
Abscheidung durch Ionenimplantation p-leitende Kompensationsgebiete
so eingebracht werden, dass diese eine säulenförmige Struktur annehmen.
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Selbstverständlich ist
es aber auch möglich,
eine p-leitende Epitaxieschicht abzuscheiden und in diese n-leitende
Kompensationsgebiete durch Implantation einzubauen.
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Nun
gibt es neben der Dotierung mit Hilfe von Epitaxie und Ionenimplantation
bekanntlich noch weitere Dotierverfahren. Eines dieser Dotierverfahren
sieht zur Herstellung einer n-Dotierung
eine hochenergetische Protonenbestrahlung im Silizium als Halbleiterkörper vor.
Bei einer solchen Protonenbestrahlung mit nachfolgender Temperung
entstehen nämlich
im Silizium so genannte Defektkomplexe, welche als n-Dotanten wirken. Die
Protonenbestrahlung hat dabei den Vorteil, dass die eingestrahlten
Protonen auch bei relativ niedrigen Energien tief in den Siliziumkörper eindringen.
So sei als Beispiel angegeben, dass eine Implantationsenergie von 1,7
MeV zu einer Eindringtiefe in Silizium von etwa 36 μm führt.
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Im
einzelnen ist in der
US
6,352,909 B1 ein Verfahren zum Abheben einer dünnen Schicht
beschrieben, bei dem sich an eine Heliumimplantation eine Wasserstoffbehandlung
anschließt,
für die
auch eine Wasserstoff-Implantation herangezogen werden kann. Ein
letzter Schritt besteht sodann noch in einer Wärmebehandlung.
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Die
nachveröffentlichte
DE 102 45 089 A1 offenbart
ein Dotierverfahren, bei dem zunächst
Kristallschäden
in einem Halbleiterkörper
durch Implantation von Heliumatomen erzeugt werden, woran sich eine
Dotierung mit Wasserstoffionen und eine Temperaturbehandlung anschließen.
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Weiterhin
ist aus der
US 5,877,070
A ein Verfahren zum Übertragen
von dünnen
Schichten auf ein Substrat bekannt, bei dem auf eine Wasserstoff-Implantation
zur Erzeugung von Traps noch eine weitere Wasserstoff-Implantation
und eine Wärmebehandlung
folgen.
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Aus
der
US 6,211,041 B1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer SOI-Anordnung bekannt, bei dem
sich an eine Implantation von Wasserstoffionen eine Wärmebehandlung
anschließt.
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Schließlich ist
aus der
DE 100 25
567 A1 ein Verfahren zum Herstellen von tief eingebrachten
n-leitenden Gebieten in einem p-leitenden Halbleiterkörper bekannt,
bei dem diese n-leitenden
Gebiete mittels einer maskierten Implantation von Protonen und einer
anschließenden
Temperung bei Temperaturen zwischen 200 und 380°C erzeugt werden. Wird bei diesem
bekannten Verfahren mit einer Dosis von 5 E 15 cm
–2 und einer
Energie von 1,6 MeV gearbeitet, was erforderlich ist, um ein 600
V-Kompensationsbauelement zu erzeugen, so wird mit einem Beamstrom
von 8 mA und einer Beamleistung von 7000 W in der Implantationsquelle ein
Durchsatz von etwa 2100 Wafer-Starts pro Woche (WSPW) erhalten.
Ein Beamstrom von 4 mA und eine Beamleistung von 3500 W führen zu
1800 WSPW, während
ein Beamstrom von 2 mA und eine Beamleistung von 1500 W in 1300
WSPW resultieren.
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Die
Beamleistung eines üblichen
Mittelstrom-Implanters liegt bei etwa 1500 W, während die Beamleistung eines
Hochstrom-Implanters
mit aktiver Kühlung
ungefähr
3000 W beträgt.
Mit anderen Worten, auch mit relativ hohen Strömen von 2 mA kann nur ein geringer
Durchsatz von ungefähr
1300 WSPW erreicht werden, da eine Erhöhung dieses Durchsatzes nur
mit aufwändigen
Kühleinrichtungen
möglich
wäre. Außerdem ist
es problematisch, für
so hohe Beamleistungen eine zuverlässige Maskierungstechnik mit
beispielsweise Stencilmasken vorzusehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zum Dotieren eines
Halbleiterkörpers
mittels Wasserstoff zu schaffen, welche einen hohen Durchsatz speziell
an einem Hochenergie-Implanter erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Verwendung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Mit
anderen Worten, bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird von folgenden Überlegungen
zum physikalischen Prinzip der Entstehung von Donatoren durch Implantation
von Wasserstoff und nachfolgende Temperung ausgegangen:
Zunächst lässt sich
die Dotierung eines Halbleiterkörpers
durch Implantation von Wasserstoff in zwei Teilprozesse aufspalten,
nämlich
einen ersten Teilprozess, bei dem das kristalline Ausgangsmaterial
des Halbleiterkörpers,
also das kristalline Silizium, durch Protonenbeschuss geschädigt wird,
wodurch Defekte generiert werden. In einem zweiten Teilprozess erfolgt
dann eine Temperung bei Temperaturen zwischen 400°C und 500°C, um eine
Dekoration von Defekten mit dem Wasserstoff vorzunehmen und dotierend
wirkende Defekt-Wasserstoff-Komplexe
herzustellen.
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Wie
weiter unten näher
erläutert
werden wird, folgt der Dotierungsverlauf bei einer Protonenimplantation
mit nachfolgender geeigneter Temperung zwar näherungsweise dem Verlauf des
Schädigungs-
bzw. Damage-Profils; allerdings sind die sich ergebenden Dotierungskonzentrationen
deutlich geringer als die durch die Implantation erzeugten Primärdefekte.
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Bei
der erfindungsgemäßen Verwendung
des Verfahrens werden nun die obigen beiden Teilprozesse voneinander
getrennt und durch vorzugsweise drei unabhängige Einzelprozesse ersetzt:
- (a) Zunächst
wird die Schädigung
mit von Protonen verschiedenen, anderen und nicht dotierend wirkenden Ionen
durch Ionenimplantation hervorgerufen. Hierfür eignen sich beispielsweise
Heliumionen. Damit werden Defekte erzeugt.
- (b) Es schließt
sich sodann eine Implantation von Wasserstoff bzw. Protonen bei
vorzugsweise sehr niedrigen kinetischen Energien in einem zweiten
Schritt an. Alternativ kann auch eine Wasserstoff-Plasmabehandlung
durchgeführt
werden.
- (c) Ein dritter Schritt besteht schließlich in einer Temperung, welcher
zu einer Diffusion des Wasserstoffs führt, so dass die Bildung von
dotierend wirkenden Wasserstoff-Defekt-Komplexen
im durch die erste Implantation vorgeschädigten Bereich erfolgen kann.
Dabei wird die rasche Diffusion von Wasserstoff in Silizium ausgenutzt.
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Die
obigen beiden Schritte (b) und (c) können gegebenenfalls auch durch
einen Temperschritt in einer Wasserstoffatmosphäre oder durch eine Wasserstoff-Plasmabehandlung
ersetzt werden.
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Wesentliche
Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung
des Verfahrens liegen darin, dass mit Heliumionen bei gleicher Dosis
eine um einen Faktor von etwa 25 höhere Schädigung im Silizium-Kristallgitter
als mit Protonen erzeugt werden kann. Dieser Faktor hat selbst im
Bereich des so genannten "Tails" der Implantation,
also zwischen der Oberfläche
eines bestrahlten Silizium-Halbleiterkörpers und der mit der eingestellten Energie
erreichten Tiefe im Halbleiterkörper,
noch einen Wert in der Größenordnung
von 10, wenn Heliumionen mit Protonen verglichen werden. Dies bedeutet
wiederum, dass die implantierte Dosis für die das Kristallgitter schädigende
Hochenergieimplantation um einen Faktor 25 bzw. 10 reduziert werden
kann.
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Infolge
der mit Helium im Vergleich zu Wasserstoff bei gleicher Dosis zu
erzielenden, erheblich höheren
Schädigung
des Kristallgitters, können
mit Helium Dotierprofile mit einer wesentlich größeren Welligkeit als mit Wasserstoff
erzeugt werden. Solche welligen Dotierprofile begünstigen
die Avalanchefestigkeit von Kompensationsbauelementen und sind sogar
eine wichtige Voraussetzung für
diese.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 den
Verlauf eines Profils von Primärdefekten
und den Verlauf von dekorierten und dotierend wirkenden Wasserstoff-korrelierten
Defekten, wobei jeweils die Konzentration K(cm–3)
in Abhängigkeit
der Tiefe d (μm)
in einem Siliziumkörper
aufgetragen ist,
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2 den
Verlauf eines Profils von Primärdefekten
in einem Siliziumkörper,
in den Wasserstoff mit 1,6 MeV implantiert wird, wobei hier die
Anzahl der Kollisionsereignisse pro Ion (Proton) und Schichtdicke
in Abhängigkeit
von der Eindringtiefe d im Siliziumkörper aufgetragen ist, und
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3 den
Verlauf eines Profils von Primärdefekten
bei einer Implantation von Helium mit 6,0 MeV in einen Siliziumkörper, wobei
hier wie in 2 die Anzahl der Kollisionsereignisse
pro Ion und Schichtdicke in Abhängigkeit
von der Eindringtiefe d im Siliziumkörper aufgetragen ist.
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In 1 veranschaulicht
eine Kurve (a) den Verlauf von erzeugten Silizium-Leerstellen in
einem Siliziumkörper,
wenn dieser mit Wasserstoff beschossen wird. Wenn mit einem solchen
Beschuss in einer Eindringtiefe d zwischen etwa 0,5 und 12 μm eine Schädigung des
Silizium-Kristallgitters derart erzeugt wird, dass hier Leerstellen
zwischen 1 E 19 und etwa 7 E 20 vorliegen, wobei der Peak (Spitzenwert)
in der Tiefe von etwa knapp 12 μm
liegt, dann wird nach einer Temperung bei 400°C bis 500°C die Ausbildung von dotierend
wirkenden Wasserstoff-Defekt-Komplexen erreicht, welche einen Verlauf
entsprechend einer Kurve (b) haben. Diese Kurve (b) für die Konzentration
K der dotierend wirkenden Wasserstoff-Defekt-Komplexe, also der Dotierung, folgt
weitgehend der Kurve (a) für
das Damageprofil.
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Durch
den Ionenbeschuss mit Wasserstoff werden im kristallinen Silizium-Ausgangsmaterial
zunächst Primärdefekte
erzeugt. In einem sich anschließenden
Temper-Schritt werden dann dotierende Wasserstoff-Defekt-Komplexe
gebildet, wobei die hier relevanten Defekte nicht notwendigerweise
mit den Primärdefekten (insbesondere
Leerstellen und in geringen Maße
höhere
Leerstellenkomplexe) übereinstimmen
müssen,
nach heutigem Kenntnisstand wohl aber aus diesen durch Reaktionen
mit weiteren Primärdefekten
und/oder im Kristall vorhandenen Atomen, wie z. B. Sauerstoff oder
Kohlenstoff, entstanden sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Verwendung
des Verfahrens werden nun die Schädigung des Halbleiterkörpers entsprechend
der obigen Kurve (a) und die Bildung von dotierend wirkenden Wasserstoff-Defekt-Komplexen
entsprechend der obigen Kurve (b) durch drei voneinander unabhängige Einzelprozesse
ersetzt:
Die Schädigung
wird mit anderen, nicht dotierend wirkenden Ionen, also beispielsweise
durch Helium, mittels Ionenimplantation erzeugt, woran sich eine
Implantation von Wasserstoff bei niedrigen kinetischen Energien anschließt. In einem
letzten Schritt wird eine Temperung vorgenommen, welche dann die
Ausbildung der dotierend wirkenden Wasserstoff-Defekt-Komplexe bewirkt.
Die Implantation von Wasserstoff und die zuletzt genannte Temperaturbehandlung
können
gegebenenfalls auch durch eine Wasserstoff-Plasmabehandlung zwischen
200–300°C mit nachfolgender
Temperung zwischen 400–500°C oder durch
eine Wasserstoff-Plasmabehandlung zwischen 400–500°C ohne nachfolgende Temperung
ersetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
des Verfahrens nutzt in vorteilhafter Weise aus, dass die Effektivität einer
Gitterschädigung
in beispielsweise Silizium für
Helium und Wasserstoff vollkommen verschieden ist. Dies wird aus
den Darstellungen der 2 und 3 sofort
ersichtlich.
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Wie
nämlich
ein Vergleich der 2 für ein Damageprofil bei einer
Implantation von Wasserstoff mit 3 für ein Damageprofil
bei einer Implantation mit Helium zeigt, ist die Peakkonzentration
der mit Helium erzeugten Schädigung
(vgl. 3) bei gleicher Dosis um einen Faktor 25 höher als
im Falle von Wasserstoff. Selbst im Tailbereich unterhalb des Spitzenwerts
liegt die Schädigung
für Helium
noch um einen Faktor 10 höher
als für
Wasserstoff. Allerdings ist die Energie bei der Heliumimplantation
mit 6,0 MeV deutlich höher
als bei der Implantation von Wasserstoff mit 1,6 MeV, was auf dem
erheblich größeren Atomradius
von Helium im Vergleich zu Wasserstoff zurückzuführen ist. Diese höhere Energie
wird benötigt,
um ungefähr
die gleiche Eindringtiefe d für
Helium und Wasserstoff zu erhalten.
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Durch
die Schädigung
des Kristallgitters mittels einer nicht dotierend wirkenden Implantation
von beispielsweise Helium lässt
sich so die implantierte Dosis für
die schädigende
Hochenergieimplantation um einen Faktor 25 im Peakbereich bzw. um
einen Faktor 10 im Tailbereich reduzieren.
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Weiterhin
ist zu beachten, dass bei einer Heliumimplantation zur Schädigung des
Kristallgitters das Peak/Tailverhältnis bei Helium erheblich
größer ist
als bei Wasserstoff, was sofort aus einen Vergleich der 2 und 3 folgt:
Bei gleichen Spitzenwerten ist bei einer Wasserstoffimplantation
die Schädigung
im Tailbereich erheblich größer als
bei einer Heliumimplantation. Dieses größere Peak/Tailverhältnis bei
Helium ermöglicht
eine erheblich gesteigerte Welligkeit von Dotierprofilen, als diese
mit einer Wasserstoffimplantation zu erzielen sind. Wellige Dotierprofile
steigern aber die Avalanchefestigkeit speziell von Kompensationsbauelementen,
sofern durch die eingebrachten Kompensationsgebiete noch keine Sättigungseffekte
hervorgerufen werden.
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Aus
der folgenden Tabelle sind die Vorteile der reduzierten Dosis einer
Heliumimplantation gegenüber einer
Wasserstoffimplantation ersichtlich:
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2100
WSPW ist hier als Referenz hergenommen, da diese Zahl ungefähr dem Durchsatz
eines Bor-Ultrahochenergie-Implanters entspricht.
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Die
wesentlichen drei Schritte der erfindungsgemäßen Verwendung des Verfahrens
können
beispielsweise in folgender Weise vorgenommen werden:
Zunächst wird
nach einer üblichen
Fototechnik eine maskierte Helium-Hochenergieimplantation mit einer
Dosis von 4 E 13 cm–2 und einer Energie
zwischen 1 und 6 MeV vorgenommen. Die Dosis ist hier erheblich niedriger
als bei einer Wasser stoffimplantation, bei welcher eine Dosis von
1 E 15 cm–2 erforderlich
wäre.
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Es
schließt
sich sodann eine maskierte niederenergetische Implantation von Wasserstoff
mit einer Energie von beispielsweise 200 keV und einer Dosis von
5 E 15 cm–2 als
zweiter Schritt an.
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Schließlich folgt
noch eine Temperung bei etwa 350°C
bis 500°C
für eine
Zeitdauer von ungefähr
30 Minuten.
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Die
Vorteile der obigen Helium-Hochenergieimplantation ergeben sich
für einzelne
Energiestufen aus der folgenden Tabelle:
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Die
Erfindung ist auch auf andere Halbleitermaterialien als Silizium
anwendbar. Ebenso können
anstelle von Helium auch andere Elemente zur Schädigung des Kristallgitters
angewandt werden.