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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
p-dotierten oder einer n-dotierten Zone im Bereich einer Oberfläche eines
Halbleiterkörpers.
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P-dotierte
Zonen dienen beispielsweise als p-Emitter bei vertikalen Leistungs-IGBT
oder bei vertikalen Leistungsdioden, bei denen ein Laststrom zwischen
einer Vorderseite und einer Rückseite
eines Halbleiterkörpers
fließen
kann und bei denen der p-Emitter im Bereich einer dieser Seiten
des Halbleiterkörpers
angeordnet ist. Ein vertikaler Leistungs-IGBT mit einem solchen
rückseitigen
p-Emitter ist beispielsweise in Baliga B. J.: "Power Semiconductor Devices", ISBN 0-534-94098-6,
Seiten 248ff., beschrieben.
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Diese,
den p-dotierten Emitter bildende Halbleiterzone kann beispielsweise
durch ein p-dotiertes Halbleitersubstrat gebildet sein, auf welches weitere
Halbleiterschichten, beispielsweise eine n-dotierte Epitaxieschicht,
die die n-Basis des Bauelements bildet, aufgebracht werden. Aus
Stabilitätsgründen darf
dieses Substrat allerdings eine bestimmte Dicke nicht unterschreiten,
um während
der Verfahrensschritte zur Herstellung der weiteren Bauelementstrukturen
handhabbar zu bleiben. Dieses Halbleitersubstrat erhöht allerdings
unnötig
den Spannungsabfall an dem Bauelement im Durchlasszustand.
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Zur
Herstellung eines solchen p-Emitters ist es außerdem bekannt, ausgehend von
einer n-dotierten Halbleiterschicht bzw. einem n-dotierten Halbleiterkörper p-dotierende
Ionen, beispielsweise Borionen, in die Oberfläche der Halbleiterschicht zu
implantieren, in deren Bereich der p-Emitter erzeugt werden soll.
Um die dotierten Ionen ausreichend elektrisch zu aktivieren, sind
allerdings Temperschritte bei Temperaturen von mehr als 400°C erforderlich. Derart
hohe Temperaturen können
allerdings zur Zerstörung
von Metallisierungs- oder Passivierungsschichten führen, so
dass mit der Herstellung dieser Passivierungsschichten und Metallisierungsschichten
bis nach der Herstellung des p-Emitters gewartet werden muss. Dies
ist wiederum ungünstig,
da der Halbleiterkörper üblicherweise
vor Herstellung des p-Emitters bereits dünngeschliffen oder dünngeätzt wird,
um die Dicke der späteren
n-Basis des Bauelements
einzustellen, und der derart gedünnte
Halbleiterkörper
nur schwer handhabbar ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Herstellung des p-Emitters besteht in dem Erzeugen einer p-dotierten Schicht
mittels einer sogenannten "Solid
Phase Epitaxy".
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
einer hochdotierten Halbleiterzone im Bereich einer Oberfläche eines
Halbleiterkörpers
oder einer Halbleiterschicht anzugeben, bei dem die Abmessungen
der dotierten Zone in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche exakt
einstellbar sind und das bei solchen Temperaturen durchführbar ist,
bei denen keine Beschädigung
von bereits vorhandenen Metallisierungen oder Passivierungen erfolgt.
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Dieses
Ziel wird durch Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 erreicht. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
US 5,286,660 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung einer dotierten Zone in einem Halbleiterkörper. Bei
diesem Verfahren wird mittels Ionenimplantation die Gitterstruktur
des Halbleiterkörpers
gestört,
um dadurch eine Defektschicht zu erzeugen. Oberhalb dieser Defektschicht
wird anschließend eine
Dotierstoff enthaltende Schicht abgeschieden, aus der anschließend bei
Temperaturen im Bereich von 750°C
Dotierstoffatome in die Defektschicht eindiffundieren.
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Die
US 4,064,495 beschreibt
ein Verfahren, bei dem Dotierstoffatome bei Temperaturen von 350°C in eine
amorphe Halbleiterschicht unter Verwendung einer Ionenimplantation
eingebracht werden.
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Die
US 3,761,319 beschreibt
ein Verfahren, bei dem Protonen bei Temperaturen von 700°C in eine
Halbleiterschicht implantiert werden, um dort Kristallschäden zu erzeugen,
und um Dotierstoffatome aus einer benachbart zu der mit Protonen
implantierten Schicht in diese Halbleiterschicht einzudiffundieren.
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Aus
der
US 4,396,651 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem in einer amorphen Halbleiterschicht vorhandene
Dotierstoffatome bei Temperaturen im Bereich von 600°C aktiviert
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung einer dotierten Zone im Bereich einer Oberfläche eines
Halbleiterkörpers
ist vorgesehen, eine amorphe Halbleiterschicht im Bereich der Oberfläche des
Halbleiterkörpers
zu erzeugen, eine Dotiermaterialschicht, die ein den Halbleiterkörper dotierendes
Material aufweist, auf die amorphe Halbleiterschicht aufzubringen,
und einen Temperaturschritt bei Temperaturen von kleiner oder gleich
500°C, vorzugsweise
kleiner oder gleich 450°C,
durchzuführen, wodurch
dotierende Atome aus der Do tiermaterialschicht in die amorphe Halbleiterschicht
eindringen, um die gewünschte
dotierte Zone zu bilden.
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Das
Verfahren ermöglicht
sowohl die Herstellung einer oberflächennahen p-dotierten Zone
als auch die Erzeugung einer oberflächennahen n-dotierten Zone.
Die Art der erreichten Dotierung ist dabei von der verwendeten Dotiermaterialschicht
abhängig.
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Eine
p-Dotierung der Halbleiterschicht kann beispielsweise durch Verwendung
einer Aluminiumschicht oder einer Indiumschicht als Dotiermaterialschicht
erfolgen, während
eine n-Dotierung
der Halbleiterschicht beispielsweise durch Verwendung einer Dotiermaterialschicht
erfolgen kann, die ein Gemisch aus Zinn (Sn) und Arsen (As) oder
Zinn (Sn) und Antimon (Sb) umfasst.
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Die
Abmessungen der durch dieses Verfahren erzeugten dotierten Zone
in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers sind durch
die Abmessungen der amorphen Halbleiterschicht vorgegeben. Diese
Abmessungen der amorphen Halbleiterschicht in der Richtung senkrecht
zu der Oberfläche
des Halbleiterkörpers
sind vergleichsweise exakt einstellbar, wie nachfolgend noch ausgeführt werden
wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
dringen die Dotierstoffatome aus der Dotiermaterialschicht in die
amorphe Halbleiterschicht während
der Durchführung
des Temperaturschrittes ein. Aufgrund der amorphen Eigenschaften
dieser Halbleiterschicht genügen
bereits vergleichsweise niedrige Temperaturen, um ein Eindringen
der Dotierstoffatome in die Halbleiterschicht zu bewirken. Bei Verwendung
von Silizium als Halbleitermaterial und Aluminium als Material der
Dotiermaterialschicht sind bereits Temperaturen von etwa 400°C ausreichend,
um ein Eindringen der Dotiermaterialatome zu bewirken. Die Herstellung
der amorphen Halbleiterschicht im Bereich der Oberfläche des
Halbleiterkörpers
kann durch Amorphisieren ei nes oberflächennahen Bereiches des Halbleiterkörpers im
Bereich dieser Oberfläche erfolgen.
Diese Amorphisierung erfolgt beispielsweise durch eine die Kristallstruktur
des Halbleiterkörpers
schädigende
Implantation von Teilchen. Als Teilchen für eine solche die Kristallstruktur
schädigende Implantation
eignen sich sowohl nicht-dotierende Teilchen, wie beispielsweise
Argon-Atome oder Halbleiteratome, beispielsweise Siliziumatome,
Teilchen, die Akzeptoreigenschaften besitzen, wie beispielsweise
Aluminiumionen, Borionen, Galliumionen, Indiumionen oder BF2-Ionen, oder Teilchen, die Donatoreigenschaften,
wie beispielsweise Phosphorionen, Arsenionen oder Antimonionen.
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Die
Abmessungen der amorphen Halbleiterschicht in einer Richtung senkrecht
zur Oberfläche des
Halbleiterkörpers
ist über
die Implantationsenergie der die Kristallstruktur schädigenden
Teilchen einstellbar.
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Neben
einer Amorphisierung eines oberflächennahen Bereiches des Halbleiterkörpers besteht zur
Herstellung der amorphen Halbleiterschicht auch die Möglichkeit,
eine amorphe Halbleiterschicht auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufzubringen. Die
Abmessungen dieser amorphen Halbleiterschicht in vertikaler Richtung
der Oberfläche
bestimmen dabei die Abmessungen der späteren p-dotierten oder n-dotierten
Halbleiterzone. Diese amorphe Halbleiterschicht kann beispielsweise
mittels eines Aufdampfverfahrens oder mittels eines Sputter-Verfahrens auf die
Oberfläche
aufgebracht werden.
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Aufgrund
der geringen erforderlichen Ausheiltemperaturen lassen sich mittel
der beschriebenen Verfahren einerseits Emitter, die eine extrem
geringe Eindringtiefe aufweisen, erzeugen, und zwar bei Anwenden
einer geringen Implantationsenergie bzw. einer geringe Dicke der
amorphen Halbleiterschicht. Andererseits können aber auch Emitter mit einer
erhebblichgrößeren Eindringtiefe
erzeugt werden, und zwar durch Anwenden ei ner höheren Implantationsenergie
bzw. einer dickeren amorphen Halbleiterschicht.
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Anstelle
des Aufbringens der Dotiermaterialschicht nachdem die amorphe Halbleiterschicht
im Bereich der Oberfläche
des Halbleiterkörpers
erzeugt wurde, besteht zur Herstellung einer dotierten Zone im Bereich
einer Oberfläche
eines Halbleiterkörpers
auch die Möglichkeit,
zunächst
eine Dotiermaterialschicht, die ein den Halbleiterkörper dotierendes
Material aufweist, auf die Oberfläche aufzubringen, anschließend eine
amorphe Halbleiterschicht im Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers unterhalb
der Dotiermaterialschicht zu erzeugen, und anschließend einen
Temperaturschritt durchzuführen,
durch den dotierende Atome aus der Dotiermaterialschicht in die
amorphe Halbleiterschicht eindringen, um die gewünschte dotierte Zone zu bilden.
Als Material für
die Dotiermaterialschicht eignen sich auch bei diesem Verfahren
die oben erläuterten
p-dotierenden oder n-dotierenden Materialien, nämlich beispielsweise Aluminium
oder Indium für
eine p-Dotierung oder beispielsweise ein Zinn-Arsen- oder Zinn-Antimon-Gemisch
für eine
n-Dotierung.
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Die
Erzeugung der amorphen Halbleiterschicht unter der Dotiermaterialschicht
erfolgt beispielsweise durch eine die Kristallstruktur des Halbleiterkörpers schädigende
Implantation von Teilchen, wobei diese Teilchen durch die Dotiermaterialschicht in
den Halbleiterkörper
implantiert werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass bereits
bei der Amorphisierung des Halbleiterkörpers ein Teil der Dotiermaterialatome
aus der Dotiermaterialschicht direkt in den oberflächennahen
Bereich des Halbleiterkörpers
gestoßen
werden. Zur Amorphisierung der oberflächennahen Halbleiterschicht
des Halbleiterkörpers
eignen sich auch bei diesem Verfahren sowohl dotierende als auch
nicht-dotierende Teilchen.
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Um
eine p-Dotierung zu erreichen, besteht die Dotiermaterialschicht
vorzugsweise aus reinem Aluminium, der Aluminium- Schicht kann allerdings auch ein gewisser
Prozentsatz, der maximal 4% betragen sollte, von Fremdatomen zugefügt sein.
Als Zusatzmaterial eignet sich beispielsweise das verwendete Halbleitermaterial,
beispielsweise Silizium.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erleichtert das Vorhandensein der amorphen Halbleiterschicht das
Eindringen der Dotierstoffatome in den Halbleiterkörper, um
die dotierte Halbleiterzone zu bilden. Ohne eine solche Amorphisierung
würde bei Verwendung
von Silizium als Halbleitermaterial und Aluminium als Dotiermaterial
eine merkliche Dotierung durch Einlegieren der Aluminiumatome und
Rekristallisieren erst bei Temperaturen oberhalb von 580°C erfolgen.
Derart hohe Temperaturen würden allerdings
zu einer Schädigung
bereits vorhandener Metallisierungs- und Passivierungsschichten
des Bauelementes führen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
hingegen, bei dem während
des Temperaturschrittes Temperaturen von kleiner oder gleich 500°C, insbesondere
von lediglich etwa 400°C
erforderlich sind, kann die Erzeugung der dotierten Halbleiterschicht
am Ende des Herstellungsprozesses, also auch nach Herstellung erforderlicher
Metallisierungen und Passivierungen, erfolgen.
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Die
Temperaturen während
des Temperschrittes liegen vorzugsweise zwischen 360°C und 410°C. Die Dauer
des Temperschrittes beträgt
vorzugsweise zwischen 1 Stunde und 40 Stunden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
Dotierungskonzentrationen für
die dotierte Halbleiterzone erreicht werden, die im Bereich der
Festkörperlöslichkeit
des verwendeten Dotierstoffmaterials in dem Halbleitermaterial liegen.
Bei Verwendung von Aluminium als Dotierstoffmaterial und Silizium
als Halbleitermaterial liegt diese Festkörperlöslichkeit, und damit die erreichte
Dotierungskonzentration, im Bereich von 1019 Aluminiumatomen
pro Kubikzentimeter (cm3). Bei derart hohen
Dotierungskonzentrationen genügen
für die
dotierte Halbleiterschicht in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche bereits
geringe Abmessungen, um einen effizienten dotierten E mitter für vertikale
Leistungsbauelemente zu bilden. Die Abmessungen der amorphen Halbleiterschicht,
die den späteren
Emitter bildet, in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers können somit
entsprechend gering gewählt
werden, d.h. die Eindringtiefe der die Kristallstruktur des Halbleiterkörpers schädigenden
Teilchen oder die Dicke der auf den Halbleiterkörper aufgebrachten amorphen
Halbleiterschicht kann entsprechend gering gewählt werden. Geringe Abmessungen
des dotierten Emitters in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers bringen
außerdem
den Vorteil mit sich, dass der Emitter eine hohe Transparenz aufweist,
was für
viele Anwendungen eine wünschenswerte
Eigenschaft ist. Transparenz bedeutet in diesem Zusammenhang, dass
die Emittereigenschaften durch Rekombination der freien Ladungsträger an der
Scheibenoberfläche
mit beeinflusst werden.
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Falls
es erforderlich sein sollte, den Emitter nachträglich in seiner Wirksamkeit
zu begrenzen, beispielsweise um Abschaltverluste des Bauelementes
zu reduzieren, besteht die Möglichkeit,
die Ladungsträgerlebensdauer
unterhalb des Emitters – bei einer
Betrachtung ausgehend von der Seite mit der amorphen Schicht – abzusenken.
Diese Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer
kann beispielsweise mittels einer Heliumbestrahlung, einer Protonenbestrahlung
oder einer Elektronenbestrahlung erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Emitters bei der
Herstellung einer Diode, eines Transistors, eines IGBT oder eines
Thyristors.
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen
Halbleiterkörper
mit einer Zellenstruktur zur Realisierung eines IGBT nach Beendigung
der Verfahrensschritte zur Herstellung der Zellenstruktur und vor Erzeugen
eines p-dotierten Emitters (1a) und
nach Dünnen
des Halbleiterkörpers
als Vorbereitung auf die Erzeugung des p-dotierten Emitters (1b).
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2 zeigt ausschnittsweise einen Halbleiterkörper in
Seitenansicht im Querschnitt während verschiedener
Verfahrensschritte zur Herstellung einer oberflächennahen dotierten Halbleiterzone
gemäß einer
ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt ausschnittsweise einen Halbleiterkörper in
Seitenansicht im Querschnitt während verschiedener
Verfahrensschritte zur Herstellung einer oberflächennahen dotierten Halbleiterzone
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt ausschnittsweise einen Halbleiterkörper in
Seitenansicht im Querschnitt während verschiedener
Verfahrensschritte zur Herstellung einer oberflächennahen dotierten Halbleiterzone
gemäß einer
dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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5 zeigt
in Seitenansicht im Querschnitt einen IGBT mit einer erfindungsgemäß hergestellten, einen
p-Emitter bildenden
oberflächennahen
p-dotierten Halbleiterzone.
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6 zeigt
in Seitenansicht im Querschnitt ein als vertikale Diode ausgebildetes
Halbleiterbauelement mit einem erfindungsgemäß hergestellten p-dotierten
Emitter.
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7 veranschaulicht den Verlauf der Dotierstoffkonzentration
eines p-dotierten Emitters abhängig
von den für
die Amorphisierung vorgesehenen Implantationsdosen.
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8 zeigt
eine SIMS-Messkurve (SIMS = Secondary Ion Mass Spectrometry), in
der der Verlauf einer Aluminiumkonzentration in einem durch das
erfindungsgemäße Verfahren
behandelten Halbleiterkörper
abhängig
von einer Eindringtiefe dargestellt ist.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleich Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Verfahren zur Herstellung
einer oberflächennahen p-dotierten
Halbleiterzone in Halbleiterbauelementen und anhand von Halbleiterbauelementen
mit einer solchen oberflächennahen
p-dotierten Halbleiterzone erläutert.
Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch auf die Herstellung
oberflächennaher
n-dotierter Halbleiterzonen anwendbar, wenn anstelle der nachfolgend
erläuterten
p-dotierenden Dotiermaterialschicht
eine n-dotierende Dotiermaterialschicht verwendet wird.
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1a zeigt
in Seitenansicht im Querschnitt einen Halbleiterkörper 100 mit
einer Vorderseite 102 und einer Rückseite 101, nach
Abschluss von Verfahrensschritten zur Herstellung einer Zellenstruktur
für die
Realisierung eines IGBT. Diese Zellenstruktur ist im Bereich der
Vorderseite 102 angeordnet. Der Halbleiterkörper weist
in dem Ausführungsbeispiel eine
n-Grunddotierung
auf. Ein diese Grunddotierung aufweisender Halbleiterbereich 11 bildet
die spätere n-Basis
bzw. n-Driftzone
des Bauelementes. Im Bereich der Vorderseite 102 sind p-dotierte
Halbleiterzonen 12 angeordnet, die die p-Basis bzw. die Body-Zone
des Bauelementes bilden. In diese p-dotierten Halbleiterzonen 12 sind
n-dotierte Halbleiterzonen 13 eingebettet, die den n-Emitter
bzw. Source des Bauelemen tes bilden. Isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100 ist
eine Gate-Elektrode 21 vorhanden, die so angeordnet ist,
dass bei Anlegen eines geeigneten Ansteuerpotentials in den p-dotierten Halbleiterzonen 12 leitende
Kanäle
zwischen den n-dotierten
Halbleiterzonen 13 und Abschnitten der n-Basiszone 11 ausgebildet
werden. Die n-dotierten Emitterzonen 13 und die p-dotierten
Basiszonen 12 sind gemeinsam durch eine Anschlusselektrode 31 kontaktiert,
die durch eine Isolationsschicht 22 gegenüber den
Gate-Elektroden 21 isoliert ist. Auf diese Anschlusselektrode 31 ist
in dem Ausführungsbeispiel
eine Passivierungsschicht 41, beispielsweise ein Polyimid
aufgebracht.
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Die
Abmessungen des Halbleiterkörpers 100 in
vertikaler Richtung, also einer Richtung senkrecht zu der Vorderseite 102 und
der Rückseite 101,
ist so gewählt,
dass der Halbleiterkörper
eine ausreichende Stabilität
während
der Prozessschritte zur Herstellung des Zellenfeldes, der Anschlusselektrode
und der Passivierungsschicht 41 besitzt. Der IGBT gemäß 1a ist,
abgesehen von einem fehlenden p-Emitter im Bereich der Rückseite 101,
fertig gestellt.
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Wesentlich
für die
elektrischen Eigenschaften des IGBT sind die Abmessungen seiner
n-Basis 11 in Laststromrichtung, also im vorliegenden Fall
in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers. Zur Einstellung der
Abmessungen dieser n-Basis vor Herstellung des p-Emitters wird der
Halbleiterkörper 100 ausgehend
von der Rückseite 101 dünner gemacht.
Dieses Dünnen
des Halbleiterkörpers 100 erfolgt
in hinlänglich
bekannter Weise beispielsweise durch Abschleifen oder Ätzen des
Halbleiterkörpers 100 ausgehend
von der Rückseite 101. 1b zeigt die
Bauelementstruktur gemäß 1a nach
einem solchen Verfahrensschritt. Die Rückseite des gedünnten Halbleiterkörpers 100 ist
in 1b mit dem Bezugszeichen 103 bezeichnet.
Der dermaßen
gedünnte
Halbleiterkörper 100 ist
schwieriger als der ungedünnte
Halbleiterkörper 100 handhabbar,
so dass sich nur noch wenige Verfahrensschritte bis zur Vervollständigung
des Bauelementes anschließen sollten,
die zudem keine hohen Prozesstemperaturen erfordern sollten, um
die Gefahr einer Zerstörung während des
Herstellungsverfahrens zu reduzieren. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung einer oberflächennahen
p-dotierten Halbleiterzone, die den p-dotierten rückseitigen
Emitter des Bauelements bildet, gewährleistet.
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Eine
erste Ausführungsform
dieses Verfahren wird nachfolgend anhand von 2 erläutert. 2a zeigt
einen Ausschnitt eines n-dotierten Halbleiterkörpers bzw. einer n-dotierten
Halbleiterschicht 100 mit einer Oberfläche 103, wobei in
dem Halbleiterkörper 100 unterhalb
dieser Oberfläche 103 oberflächennah
eine p-dotierte Halbleiterschicht erzeugt werden soll, während eines
ersten Verfahrensschrittes. Bei diesem Verfahrensschritt wird im
Bereich der Oberfläche 103 eine
amorphe Halbleiterschicht 14 erzeugt, indem der oberflächennahe
Bereich 14 des Halbleiterkörpers 100 amorphisiert
wird. Dieses Amorphisierung erfolgt durch eine sogenannte "Damage"-Implantation, bei der Teilchen in den
Halbleiterkörper 100 implantiert
werden, die die Kristallstruktur des Halbleiterkörpers 100 schädigen. Diese Teilchen
sind beispielsweise Argonatome oder, bei Verwendung von Silizium
als Halbleitermaterial, Siliziumatome.
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Die
zur Amorphisierung implantierten Teilchen können auch eine dotierende Wirkung
haben. Dabei werden Teilchen, die Akzeptoreigenschaften besitzen,
für die
Implantation insbesondere dann verwendet, wenn eine oberflächennahe
p-dotierte Halbleiterschicht erzeugt werden soll. Hierbei eignen
sich beispielsweise Aluminiumionen, Borionen oder BF2-Ionen
für die
Damage-Implantation. Dagegen werden Teilchen, die Donatoreigenschaften
besitzen, für
die Implantation insbesondere dann verwendet, wenn eine oberflächennahe
n-dotierte Halbleiterschicht erzeugt werden soll. Hierbei eignen
sich beispielsweise Phosphorionen, Arsenionen oder Antimonionen.
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Die
Abmessungen der amorphisierten Halbleiterschicht 14 in
vertikaler Richtung, also der Richtung senkrecht zu der Oberfläche 103 werden
durch die Implantationsenergie während
der Damage-Implantation eingestellt. Die Parameter während der
Implantation sind dabei so gewählt,
dass eine amorphisierte Halbleiterschicht 14 mit einer
Dicke in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers vorzugsweise zwischen
30 nm und 2 μm
entsteht.
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In
einem nächsten
Verfahrensschritt, dessen Ergebnis in 2b dargestellt
ist, wird eine Dotiermaterialschicht 51 auf die amorphisierte
Halbleiterschicht 14 aufgebracht. Diese Dotiermaterialschicht besteht
für eine
p-Dotierung beispielsweise aus Indium oder reinem Aluminium, kann
jedoch auch einen geringen Prozentsatz an Fremdatomen, insbesondere
Silizium, umfassen. Für
eine n-Dotierung eignen sich Gemische mit Zinn und Arsen oder Zinn
und Antimon.
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Anschließend wird
ein Temperaturschritt durchgeführt,
bei dem der Halbleiterkörper
insgesamt oder wenigstens im Bereich der Oberfläche 103 für eine vorgegebene
Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, wobei
diese Temperatur so gewählt
ist, dass Dotierstoffatome der Dotiermaterialschicht 51 in
die amorphe Halbleiterschicht 14 eindringen, um im Bereich
der zuvor amorphisierten Halbleiterschicht 14 eine stark
dotierte Halbleiterzone 15, in dem Beispiel eine stark
p-dotierte Halbleiterzone, zu erzeugen. Die Temperatur während dieses
Temperaturschrittes liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 360°C und 410°C. Die Dauer
des Temperaturschrittes beträgt
beispielsweise zwischen 2 und 20 Stunden.
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Diese
während
des Temperaturschrittes herrschenden Temperaturen, die ein Eindringen
der Dotierstoffatome in die amorphe Halbleiterschicht 14 und – zumindest
teilweise – eine
Rekristallisation der amorphen Halbleiterschicht 14 bewirken,
sind so niedrig, dass keine Beschädigung oder Zerstörung von
Metallisierungsschichten oder Passivierungsschichten erfolgt, die
auf eine der Oberfläche 103 abgewandte
Oberfläche
des Halbleiterkörpers 100 bereits
aufgebracht sind.
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Erst
durch diese niedrigen Temperaturen ist es möglich, beispielsweise das Halbleiterbauelement gemäß 1 im Bereich seiner Vorderseite einschließlich der
Metallisierungs- und Passivierungsschichten vollständig fertig
zu stellen, bevor der rückseitige,
in dem Beispiel p-dotierte, Emitter erzeugt wird.
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Ohne
vorherige Amorphisierung des Halbleiterkörpers im Bereich der Oberfläche 103 wären Temperaturen
von mehr als 580°C
erforderlich, um Aluminiumatome in den Halbleiterkörper einzulegieren
und dadurch eine p-dotierte Halbleiterzone zu erzeugen. Diese Temperaturen
sind jedoch so hoch, dass bereits hergestellte Metallisierungs-
oder Passivierungsschichten zerstört würden, so dass diese Metallisierungs-
und Passivierungsschichten erst nach Herstellung des p-dotierten
Emitters hergestellt werden könnten,
was jedoch weitere Verfahrensschritte nach dem Dünnschleifen oder Dünnätzen des
Halbleiterkörpers
erfordern würde.
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3 veranschaulicht ein weiteres Verfahren
zur Herstellung einer oberflächennahen
dotierten Halbleiterschicht 15, in dem Beispiel einer p-dotierten Halbleiterschicht 15,
in einem Halbleiterkörper
bzw. einer Halbleiterschicht 100. Bei diesem Verfahren wird
auf die Oberfläche 103 der
Halbleiterschicht 100 zunächst die Dotierstoffmaterialschicht 51,
beispielsweise eine Aluminiumschicht oder Indiumschicht für eine p-Dotierung
oder eine Zinn-Arsen- oder Zinn-Antimon-Schicht für eine n-Dotierung,
aufgebracht, was im Ergebnis in 3a dargestellt
ist.
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An
das Aufbringen dieser Dotiermaterialschicht 51 schließt sich
die Amorphisierung eines oberflächennahen
Abschnittes 14 der Halbleiterschicht 100 an. Diese
Amorphisierung erfolgt durch eine Damage-Implantation von Teilchen,
die durch die Dotiermaterialschicht 51 hindurch in die
Halbleiterschicht 100 implantiert werden. Als Teilchen
für dieses
Damage-Implantation
eignen sich wie bei dem zuvor anhand von 2 erläuterten
Verfahren sowohl Teilchen die eine dotierende Wirkung haben, wie
auch Teilchen, die keine dotierende Wirkung haben. Der Vorteil der
Teilchenimplantation durch die Dotierstoffschicht 51 hindurch
besteht darin, dass bereits während
der Amorphisierung ein Teil der Dotierstoffatome in die amorphisierte
Schicht 14 "gestoßen" werden.
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An
die Herstellung der amorphen Halbleiterschicht 14 schließt sich
der bereits erläuterte
Temperaturschritt an, bei dem Dotierstoffatome aus der Dotiermaterialschicht 51 in
die amorphisierte Halbleiterschicht 14 eindringen, um die
stark dotierte Halbleiterschicht 15 zu bilden, was im Ergebnis
in 3c dargestellt ist.
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Anstatt
einen Abschnitt des Halbleiterkörpers
oder der Halbleiterschicht 100 durch Teilchenimplantation
zu amorphisieren besteht Bezug nehmend auf 4a auch
die Möglichkeit,
eine amorphe Halbleiterschicht 64 auf die Oberfläche 103 der
Halbleiterschicht 100 aufzubringen. Diese amorphe Halbleiterschicht
wird beispielsweise durch ein Aufdampf-Verfahren oder ein Sputter-Verfahren
erzeugt.
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Die
weiteren Verfahrensschritte erfolgen dann entsprechend der bereits
anhand der 2b und 2c erläuterten
Verfahrensschritte, d. h. auf die amorphe Halbleiterschicht 64 wird
eine Dotiermaterialschicht 51 aufgebracht, was im Ergebnis
in 4b dargestellt ist, und an das Aufbringen dieser Dotiermaterialschicht 51 schließt sich
der Temperaturschritt an, durch den Dotierstoffatome aus der Dotiermaterialschicht 51 in
die amorphe Halbleiterschicht 64 eindringen, um die stark
dotierte oberflächennahe
Halbleiterschicht 65 zu erzeugen, was im Ergebnis in 4c dargestellt
ist.
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Bei
dem anhand von 4 erläuterten
Verfahren erfolgt die Einstellung der Abmessungen der hochdotierten
oberflächennahen
Halbleiterschicht 65 über
die Dicke der abgeschiedenen amorphen Halbleiterschicht 64.
Die Dicke dieser Halbleiterschicht 64 kann in hinlänglich bekannter
Weise über
die Abscheidebedingungen und die Abscheidedauer des amorphen Halbleitermaterials
eingestellt werden.
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5 zeigt
in Seitenansicht im Querschnitt einen fertig gestellten IGBT mit
einem rückseitigen, gemäß dem erläuterten
Verfahren hergestellten, hoch-p-dotierten Emitter 15; 65.
Die Dotiermaterialschicht 51, die beispielsweise aus Aluminium
besteht, kann die rückseitige
Anschlusselektrode des Bauelements bilden oder kann zumindest einen
Teil einer solchen im weiteren nicht näher dargestellten rückseitigen
Anschlusselektrode des Bauelements bilden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist selbstverständlich
nicht auf die Herstellung hochdotierter Emitter für IGBTs
beschränkt.
Das Verfahren ist vielmehr zur Herstellung von oberflächennahen
hochdotierten Halbleiterzonen, und zwar von p-dotierten Halbleiterzonen
oder n-dotierten Halbleiterzonen, für beliebige Halbleiterbauelemente
einsetzbar.
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6 zeigt
in Seitenansicht im Querschnitt ausschnittsweise eine vertikale
Leistungsdiode mit einer erfindungsgemäß hergestellten rückseitigen p-dotierten
Emitterzone 15; 65. Das Bauelement weist im Bereich
einer Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers 100 eine stark
n-dotierte Halbleiterzone 16 auf, die den n-Emitter des
Bauelementes bildet, und die durch eine Anschlusselektrode 32 kontaktiert
ist. Eine zwischen dem p-Emitter 15; 65 und dem
n-Emitter 16 angeordnete schwach n-dotierte Halbleiterzone 11,
deren Dotierung beispielsweise der Grunddotierung des Halbleiterkörpers 11 entspricht,
bildet die n-Basis des Bauelementes.
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Zur
Untersuchung der Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden verschiedene Versuche
durchgeführt,
die nachfolgend anhand der 7a und 7b erläutert wurden.
Bei diesen Versuchen wurde eine Halbleiterscheibe, die eine n-Grunddotierung von
1013 cm–3 aufwies,
durch Implantation von BF2-Atomen im Bereich
einer Oberfläche
amorphisiert. Die verwendeten Implantationsdosen lagen Bezug nehmend
auf die Tabelle in 7a zwischen 1·1014 cm–2 und 60·1014 cm–2. Für jede dieser Implantationsdosen
wurde bei einem Versuch eine 5 μm
dicke Aluminiumschicht auf die durch Implantation behandelte Halbleiterschicht
aufgebracht, und bei einem anderen Versuch auf eine solche Aluminiumschicht
verzichtet. Alle Proben wurden während
eines Temperschrittes über
einen Zeitraum von 24 Stunden auf eine Temperatur von 400°C aufgeheizt.
Nach Beendigung dieses Temperschrittes wurden jeweils mittels Vier-Spitzenmessungen
die Schichtwiderstände
der Halbleiterscheibe im oberflächennahen
Bereich ermittelt. Dieser oberflächennahe
Bereich entspricht dem Halbleiterbereich 15 bei den anhand
der 2 und 3 erläuterten
Verfahren. Der hierbei ermittelte Widerstandswert ist in der Tabelle
in 7a dargestellt.
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Es
zeigt sich, dass bei einer Implantationsdosis 1·1014 cm–2 keine
relevante Differenz zwischen dem Schichtwiderstand der Probe mit
aufgebrachter Aluminium-Metallisierung und der Probe ohne aufgebrachter
Aluminium-Metallisierung besteht. Grund hierfür ist, dass derart niedrige
Implantationsdosen nicht ausreichend sind, um eine Amorphisierung
der Halbleiterschicht zu bewirken, so dass bei den niedrigen Temperaturen
während
des Temperschrittes kaum Aluminiumatome in den Halbleiterkörper eindringen,
um die Dotierstoffkonzentration zu erhöhen und dadurch den Schichtwiderstand
abzusenken.
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Eine
merkliche Amorphisierung des Halbleitermaterials tritt erst bei
Implantationsdosen von mehr als 8·1014 cm–2 ein.
Das Vorhandensein der Aluminiummetallisierung trägt hier zu einer merklichen Erhöhung der
Dotierungskonzentration – bei
Verwen dung von Aluminium der p-Dotierungskonzentration – in der
amorphisierten Halbleiterschicht, und damit zu einer merklichen
Reduzierung des Schichtwiderstandes im Vergleich zu dem Versuch
ohne Aluminium-Metallisierung bei. Dass der Schichtwiderstand bei
der höheren
Implantationsdosis 8·1014 cm–2 auch ohne Aluminium-Metallisierung
gegenüber
dem Schichtwiderstand bei der niedrigeren Implantationsdosis 1·1014 cm2 verringert
ist, liegt daran, dass für die
Damage-Implantation BF2-Ionen verwendet
werden, die als solche bereits eine p-dotierende Wirkung besitzen.
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7b zeigt
die Dotierungskonzentration in der Halbleiterschicht ausgehend von
der Oberfläche, unterhalb
welcher die oberflächennahe
p-dotierte Schicht erzeugt wird. Die für die einzelnen Versuche erhaltenen
Kurven sind entsprechend der Versuche in der Tabelle gemäß 7a nummeriert.
Wie ersichtlich ist, werden für
Implantationsdosen größer als
8·1014 cm–2 und bei Aufbringen
einer Aluminium-Metallisierung auf eine Oberfläche des Halbleitermaterials
im oberflächennahen
Bereich p-Dotierungen von etwa 1019 cm–3 erreicht.
Diese Dotierungskonzentration entspricht der Feststofflöslichkeit von
Aluminium in Silizium. Ohne Aluminiumschicht werden wesentlich niedrigere
Dotierungskonzentrationen erreicht, wie anhand der Kurve für Versuch
3a in 7 dargestellt ist.
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Ein
starkes Eindringen von Aluminiumatomen in die amorphisierte Halbleiterschicht
konnte auch mittels "Secondary
Ion Mass Spectrometry (SIMS)"-Analysen
nachgewiesen werden.
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8 zeigt
eine solche SIMS-Messkurve, in der der Verlauf der Aluminiumkonzentration
in dem Halbleiterkörper über der
Eindringtiefe dargestellt ist. Die höchste Aluminiumkonzenration
lag bei der der Messung zugrundeliegenden Probe in einer Tiefe von
bis etwa 0,6 μm
vor, was etwa der Dicke der amorphisierten Halbleiterschicht bei
der Messprobe entspricht. Die Amorphisierung der Probe erfolgte durch
eine BF2-Ionen-Implantation mit einer Implantationsdosis
von 8·1014 cm–2. Die Dauer des Temperaturschrittes
betrug 24 h bei einer Temperatur von 400°C. Die in 7b dargestellte
elektrisch aktive Aluminiumkonzentration ist deutlich geringer als
die mittels SIMS ermittelte Aluminiumkonzentration. Dies liegt daran,
dass nur ein Anteil der Aluminiumatome entsprechend der Festkörperlöslichkeit
elektrisch aktiviert werden kann.
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Wie
bereits erläutert,
wird bei Versuch 1b trotz aufgebrachter Metallisierung lediglich
eine niedrige p-Dotierung erreicht, da die Implantationsdosen von
1·1014 cm–2 zu gering sind, um
eine Amorphisierung des Halbleitermaterials zu erreichen.
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- 11
- n-Basis
- 12
- p-Basis,
Body-Zone
- 13
- n-Emitter,
Source-Zone
- 14
- amorphe
Halbleiterschicht
- 15
- p-dotierte
Halbleiterschicht
- 16
- n-Emitter
- 21
- Gate-Elektrode
- 31
- Anschlusselektrode
- 32
- Anschlusselektrode
- 41
- Passivierungsschicht
- 51
- Dotiermaterialschicht,
Aluminiumschicht
- 64
- amorphe
Halbleiterschicht
- 65
- p-dotierte
Halbleiterschicht
- 100
- Halbleiterkörper
- 102
- Vorderseite
- 101,
103
- Rückseite