DE10025567A1 - Verfahren zum Herstellen von tiefdotierten Gebieten in einem Halbleiterkörper - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von tiefdotierten Gebieten in einem Halbleiterkörper

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von tiefdotierten n-leitenden Gebieten in einem p-leitenden Halbleiterkörper zur Bildung einer p/n/p/n...Struktur eines Kompensationsbauelementes. Für die Herstellung dieser n-leitenden Gebiete wird eine maskierte Implantation von Protonen oder eine maskierte Eindiffusion von Wasserstoffatomen vorgenommen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstel­ len von tiefdotierten Gebieten des einen Leitungstyps in ei­ nem wenigstens zwei Elektroden auf einander gegenüberliegen­ den Oberflächen aufweisenden Halbleiterkörper des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps.
Kompensationsbauelemente zeichnen sich bekanntlich durch ei­ nen niedrigen Einschaltwiderstand Ron und eine hohe Durch­ bruchspannung aus. Solche Kompensationsbauelemente haben in Richtung des Stromflusses zwischen zwei Elektroden, bei­ spielsweise Source und Drain, sich erstreckende n- und p- leitende Gebiete. Bei einer Vertikalanordnung liegt also in lateraler Richtung eine alternierende p/n/p/n. . .-Struktur vor.
Bisher werden solche p/n/p/n. . .-Strukturen in Vertikalanord­ nungen durch mehrstufige Epitaxieprozesse mit zwischenge­ schalteten Implantationen von beispielsweise Boratomen in ei­ nem n-leitenden Halbleiterkörper realisiert. Es entstehen so p-dotierte Säulen in dem n- -leitenden Halbleiterkörper, was die gewünschte p/n/p/n. . .-Struktur in lateraler Richtung er­ gibt.
In einem anderen Verfahren zur Erzeugung einer p/n/p/n. . .- Struktur wird eine tiefdotierte n-leitende Säule mittels mas­ kierter Schwefel- oder Selen-Implantation auf der Oberfläche eines p-leitenden Halbleiterkörpers und eines nachfolgenden Eintreibschrittes gebildet.
Das zuerst geschilderte bekannte Verfahren mit mehrstufigen Epitaxieprozessen ist äußerst aufwendig, während bei der an zweiter Stelle genannten Variante unvermeidbar eine laterale Unterdiffusion der Dotierungsatome, also des Schwefels bzw. Selens, auftritt, was zu einer Welligkeit der n-leitenden Säule im p-leitenden Halbleiterkörper führt. Diese Welligkeit kann sich nachteilhaft auf die elektrischen Parameter des herzustellenden Kompensationsbauelementes auswirken.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren zum Herstellen eines tiefdotierten Gebietes des einen Leitungstyps in einem Halbleiterkörper des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps zu schaffen, das sich einfach ausführen läßt und bei dem keine oder nur gerin­ ge Welligkeiten von dotierten Säulen auftreten.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Dotierung der tiefdotierten Gebiete in Richtung des Stromflusses zwischen den beiden Elektroden Protonen oder Wasserstoffatome maskiert auf den Halbleiterkörper zur Einwirkung gebracht werden. Die Erfindung nutzt damit speziell zur Herstellung von Kom­ pensationsbauelementen den an sich seit längerem beschriebe­ nen Prozeß einer maskierten Protonenbestrahlung bzw. einer maskierten Eindiffusion von Wasserstoffatomen aus, um in ei­ nem beispielsweise p-leitenden Halbleiterkörper n-leitende Gebiete bzw. Säulen zu schaffen.
Bei der Implantation von Protonen werden im Siliziumgitter eines Halbleiterkörpers Störungen hervorgerufen, die zur Bil­ dung von Donatoren führen. Wird Wasserstoff auf einen Silizi­ umkörper zur Einwirkung gebracht, so wird in diesem der dort vorhandene Sauerstoff aktiviert, was letztlich zur Bildung von thermischen Donatoren führt. Einzelheiten dieser Vorgänge sind beispielsweise für eine Protonenbestrahlung in der Dis­ sertation von Wolfgang Wondrak "Erzeugung von Strahlenschäden in Silizium durch hochenergetische Elektronen und Protonen" der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität zu Frankfurt am Main, 1985, und für Wasserstoffeindiffusion in E. P. Neustroev, I. V. Antonova, V. P. Popov, D. V. Kilanov, A. Misiuk: Enhanced For­ mation of Thermal Donors in Oxygen Implanted Silicon Annealed at Different Pressures", Paper Reference: F-I/P15, beschrie­ ben.
Durch eine Protonenbestrahlung lassen sich ohne Einsatz eines Hochtemperaturprozesses bei Dosen, die über 1011 Protonen cm-2 liegen, Donatoren erzeugen. Durch Veränderung der Dosis kann dabei ohne weiteres die Stärke der Dotierung festgelegt wer­ den, während mittels Einstellung der Energie der Protonen die Tiefe der Dotierung festgelegt werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil einer Protonenbestrahlung liegt dar­ in, daß die laterale Ausdehnung der auf diese Weise gebilde­ ten n-dotierten Gebiete bzw. Säulen über die gesamte Tiefe der Säulenstruktur nahezu konstant ist.
Das vertikale Dotierungsprofil in der Säulenstruktur läßt sich dadurch steuern, daß Implantationen mit mehreren Energi­ en durchgeführt werden, so daß sich Dotierungsmaxima der n- leitenden Gebiete, die im Bereich am Ende der Protonenreich­ weite liegen, ergeben. Die Lage dieser Dotierungsmaxima kann so gewählt werden, daß die sich unterhalb und oberhalb der Dotierungsmaxima ergebenden n-Dotierungsverteilungen derart überlagern, daß letztlich eine annähernd konstante n-leitende Dotierung über der gesamten Tiefe vorliegt. Es ist aber auch möglich, mit den Protonen zunächst den gesamten Siliziumkör­ per zu durchstrahlen, um somit in den durchstrahlten Berei­ chen eine Dotierungsanhebung zu realisieren, und sodann in speziellen Bereichen eine Dotierungsanhebung vorzunehmen.
Für den Halbleiterkörper wird in bevorzugter Weise ein p- leitendes Silizium-Grundmaterial verwendet, obwohl auch ande­ re Materialien außer Silizium, wie beispielsweise SiC oder AIII-BV-Halbleiter eingesetzt werden können.
Jedenfalls ergibt sich nach der maskierten Protonenbestrah­ lung in dem Halbleiterkörper auf diese Weise die gewünschte p/n/p/n. . .-Säulenstruktur.
Für die Maskierung der Protonenbestrahlung kann beispielswei­ se eine Metallblende verwendet werden, deren Öffnungen einen Durchmesser entsprechend dem Durchmesser der n-leitenden Ge­ biete bzw. Säulen haben. Die Dicke der Metallblende muß dabei so bemessen sein, daß ein Durchdringen der Protonen bei der jeweils gewählten Energie vermieden wird. Beispiele für die Durchmesser der Öffnungen der Metallblende liegen zwischen 5 und 20 µm, während eine geeignete Dicke der Metallblende etwa 100 µm betragen kann. Diese Dicke ist auch für eine Implanta­ tion mit einer Energie von bis zu 3 MeV ausreichend, mit der Strukturen mit einer Tiefe bis zu 100 µm erzeugt werden kön­ nen.
Zweckmäßigerweise wird nach der Protonenbestrahlung noch eine Temperung bei Temperaturen vorgenommen, die zwischen 200°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 280°C, liegen, wo­ bei diese Temperung während einer Zeitdauer von einigen Stun­ den durchgeführt wird, um das Kristallgitter auszuheilen bzw. Bestrahlungseffekte zu stabilisieren.
Eine maskierte Eindiffusion von Wasserstoffatomen bewirkt, daß sich in dem Bereich, in welchem sich die eindiffundierten Wasserstoffatome befinden, in Kombination mit Sauerstoffato­ men bevorzugt thermische Donatoren bilden, welche letztlich die gewünschte n-leitende Dotierung bewirken. Diese Eindiffu­ sion von Wasserstoff kann beispielsweise durch eine Wasser­ stoff-Plasmabehandlung realisiert werden.
Die für diese Donatorbildung erforderlichen Sauerstoffatome sind auch in durch Zonenziehen (FZ) gebildetem Silizium- Grundmaterial nach Durchführen der zur Herstellung des Halb­ leiterbauelements erforderlichen Prozeßschritte in ausrei­ chender Konzentration vorhanden, da während der üblichen Feuchtoxidationen und oxidierenden Eintreibschritte eine be­ trächtliche Konzentration von Sauerstoff in den Halbleiter­ körper bzw. die Halbleiterkörper bildenden Scheiben eindif­ fundiert.
Eine maskierte Eindiffusion von Wasserstoffatomen ist zur Bildung von n-leitenden Gebieten besonders vorteilhaft, da nur relativ geringe Temperaturen unter 500°C und Diffusions­ zeiten im Bereich von etwa einer Stunde benötigt werden, um die gewünschte Tiefe der n-leitenden Gebiete zu erreichen.
Die Eindiffusion von Wasserstoff kann in einem Schritt bei einer Temperatur von beispielsweise zwischen 400°C bis 500°C oder auch in zwei oder mehr Stufen vorgenommen werden, wobei bei einer mehrstufigen Eindiffusion eine Wasserstoffvorbele­ gung bei beispielsweise 260°C erfolgen kann, welcher sich dann ein Glüh- bzw. Anneal-Schritt bei etwa 400°C anschließt.
Eine Möglichkeit, eine seitliche Diffusion von Wasserstoffa­ tomen zu behindern, besteht darin, den Bereich, der nicht für die Wasserstoff-Eindiffusion vorgesehen ist, zumindest bei der Grenzfläche zwischen den vertikal angeordneten p- und n- leitenden Gebieten, zuvor durch eine Bestrahlung so zu schä­ digen, daß die dadurch hervorgerufene Schädigung des Silizi­ umkristalles eine Eindiffusion des Wasserstoffs in dem be­ schädigten Bereich weitgehend vermeidet. Mit anderen Worten, auf diese Weise lassen sich Strukturen erzeugen, bei denen die laterale Ausdehnung der n-leitenden Gebiete bzw. Säulen über die Tiefe der Säulenstruktur annähernd konstant bleibt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in bevorzugter Weise n-leitende Gebiete in einem p-leitenden Substrat gebil­ det, um für Kompensationsbauelemente eine p/n/p/n. . .-Struktur zu bilden. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich aber auch auf die Bildung beispielsweise einer Anschlußzone zu einer auf der Rückseite eines Halbleiterkörpers gelegener Dotie­ rungszone oder zur Herstellung einer Feldstopschicht für einen IGBT oder eine Diode anwenden. Mit anderen Worten, das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zur Herstellung von Kompensationsbauelementen in vorteilhafter Weise einsetzbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Abhängigkeit der maximalen n-Dotierung (La­ dungsträger cm-3) in Abhängigkeit von der Proto­ nen-Fluenz (Protonen cm-2),
Fig. 2 den Aufbau eines Kompensationsbauelementes,
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung ei­ ner mehrstufigen Protonen-Implantation mit mehre­ ren Energien,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung ei­ ner maskierten Protonenbestrahlung und
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung ei­ ner maskierten Wasserstoff-Eindiffusion.
Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß mit Dosen, die über 1011 Pro­ tonen cm-2 liegen, Donatoren erzeugt werden können, welche zu einer Dotierung über 1014 Ladungsträger cm-3 führen. So be­ wirkt beispielsweise eine Dosis bzw. Protonen-Fluenz von 1015 . . .1016 Protonen cm-2 eine maximale n-Dotierung zwischen 5 × 1016 bis 5 × 1017 Ladungsträger cm-3.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Kompensationsbauelement mit ei­ nem p-leitenden Halbleiterkörper 1 aus Silizium, einer n- leitenden Sourcezone 2, einer n-leitenden Drainzone 3, einer auf einem Gateoxid vorgesehenen Gateelektrode 4 und n- leitenden Kompensationsgebieten 5, die sich in Richtung des Strompfades zwischen der Sourcezone 2 und der Drainzone 3 er­ strecken und so eine laterale p/n/p/n. . .-Struktur bilden.
Fig. 3 stellt dar, wie ein n-leitendes Gebiet 5 durch Proto­ nen-Implantationen mit mehreren Energien hergestellt werden kann: für die Dotierung von tieferliegenden Zonen 6 werden höhere Implantationsenergien im Bereich von beispielsweise 3 MeV gewählt, mit welchen Implantationstiefen von bis zu 100 µm erreicht werden können. Höherliegende Zonen 7 werden dage­ gen mit niedrigeren Energien, beispielsweise im Bereich von 0,5 MeV implantiert. Auf diese Weise entstehen Dotierungsma­ xima 8, deren Lage so gewählt werden kann, daß die sich un­ ter- und oberhalb der Maxima ergebenden n- Dotierungsverteilungen so überlappen, daß letztlich eine an­ nähernd konstante n-Dotierung über dem gesamten Gebiet 5 er­ reicht werden kann.
Fig. 4 zeigt, wie ein Gebiet 5 durch maskierte Implantation von Protonen H+ mittels einer Metallblende 9 erzeugt wird, die eine Öffnung mit einem Durchmesser von 5 bis 20 µm hat. Selbstverständlich können auch andere Durchmesser für die Öffnungen gewählt werden. Die Dicke der Metallblende 9 ist so bemessen, daß sie ein Durchdringen der Protonen bei der je­ weils gewählten Energie, also beispielsweise zwischen 0,1 MeV und 3 MeV, vermeidet. Eine geeignete Dicke liegt beispiels­ weise in der Größenordnung von 100 µm. Bei Bauelementen, die aufgrund höherer erforderlicher Sperrfähigkeiten größere Dic­ ken benötigen, sind die anzuwendenden Strahlungsenergien hö­ her und somit ist auch die Dicke der Metallblende größer.
Nach der Bestrahlung mit den Protonen wird zweckmäßigerweise eine Temperung mit Temperaturen vorgenommen, welche zwischen 200°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 280°C lie­ gen. Die Temperdauer kann dabei einige Stunden betragen, um das Kristallgitter auszuheilen und die Bestrahlungseffekte zu stabilisieren.
Fig. 5 erläutert die maskierte Eindiffusion von Wasserstoffa­ tomen (H) mittels einer auf den Halbleiterkörper 1 aufgebrachten Maske 10 aus beispielsweise Siliziumdioxid. Diese Wasserstoffeindiffusion kann beispielsweise durch eine Was­ serstoffplasmabehandlung realisiert werden. Die dabei auftre­ tenden Temperaturen liegen unterhalb 500°C, während die er­ forderlichen Diffusionszeiten im Bereich von z. B. etwa einer Stunde liegen, um die gewünschte Tiefe der Gebiete 5, von beispielsweise bis zu 100 µm, zu erreichen.
Die Wasserstoffeindiffusion kann in einem Schritt bei Tempe­ raturen zwischen 400°C bis 500°C oder auch in mehreren Stufen vorgenommen werden, wobei dann zweckmäßigerweise zunächst ei­ ne Wasserstoffbelegung bei 260°C erfolgt, der sich dann ein Glüh- bzw. Anneal-Schritt bei z. B. etwa 400°C anschließt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen von tiefdotierten Gebieten (5) des einen Leitungstyps in einem wenigstens zwei Elektroden (2, 3) auf einander gegenüberliegenden Oberflächen aufweisen­ den Halbleiterkörper (1) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dotierung der tiefdotierten Gebiete (5) in Richtung des Stromflusses zwischen den beiden Elektroden (2, 3) Protonen oder Wasserstoffatome maskiert auf den Halbleiterkörper (1) zur Einwirkung gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß tiefdotierte n-leitende Gebiete (5) hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine maskierte Protonenbestrahlung mit einer Dosis über 1011 Protonen cm-2 vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Protonenbestrahlung eine Implantation mit mehreren Energien vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Protonenbestrahlung eine Temperung vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung bei Temperaturen zwischen 200 und 380°C, vor­ zugsweise zwischen 220 und 280°C, vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die maskierte Dotierung eine Metallblende verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblende eine von der Energie der Implantation abhän­ gige Dicke aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblende Öffnungen mit einem Durchmesser zwischen 5 und 20 µm aufweist und mit einer Dicke von etwa 100 µm verse­ hen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindiffusion von Wasserstoff in einem Sauerstoffatome enthaltenden Siliziumkörper bei Temperaturen unter 500°C vor­ genommen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindiffusion während einer Zeitdauer von etwa einer Stun­ de vorgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindiffusion in mehreren Stufen vorgenommen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserstoffvorbelegung vorgenommen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffvorbelegung bei etwa 260°C vorgenommen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Eindiffusion eine Temperung erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung bei etwa 400°C durchgeführt wird.
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