DE102004039209B4 - Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper und Halbleiterbauelement mit einer Feldstoppzone - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper und Halbleiterbauelement mit einer Feldstoppzone Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper (100), das folgende Verfahrensschritte aufweist:
– Durchführen eines Diffusionsprozesses zum Eindiffundieren von Schwefel, Wasserstoff oder Selen ausgehend von einer Seite (101; 101') in den Halbleiterkörper (100), um eine erste n-dotierte Halbleiterzone (11; 11') zu erzeugen,
– Herstellen einer zweiten n-dotierten Halbleiterzone (32; 33) in der ersten Halbleiterzone (11; 11'), die höher als die erste Halbleiterzone (11; 11') dotiert ist, wobei der Halbleiterkörper (100) nach dem Diffusionsprozess und vor Herstellen der zweiten Halbleiterzone (32; 33) ausgehend von der einen Seite (101; 101') teilweise entfernt wird, um die erste Halbleiterzone (11) teilweise zu entfernen, und wobei der Diffusionsprozess so gewählt ist, dass die Dotierung in dem nach Herstellen der zweiten Halbleiterzone (32; 33) verbleibenden Abschnitt der ersten Halbleiterzone (11; 11') kleiner ist als die Durchbruchsladung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper.
  • Die im Betrieb auftretende Gesamtverlustleistung von Leistungs-IGBT kann durch Vorsehen einer höher als die n-Basis dotierten, dem p-Emitter bzw. Kollektor vorgelagerten n-dotierten Feldstoppzone reduziert werden. Solche, dem p-Emitter vorgelagerte Feldstoppzonen vom selben Leitungstyp wie die n-Basis, die auch als Pufferzonen bezeichnet werden, finden insbesondere bei sogenannten PT-IGBT (PT = Punch Through) Anwendung und dienen zur Begrenzung des elektrischen Feldes, um einen Durchgriff des elektrischen Feldes auf den p-Emitter zu verhindern.
  • In Nakagawa, A. et al: "MOSFET-mode Ultra-Thin Wafer PTIGBT for Soft Switching Application – Theory and Experiments", Proceedings of ISPSD 2004 (Kitakyushu, Japan), Seiten 437–440, ist ein sogenannter SPT-IGBT (SPT = Soft Punch Through) mit einer dem p-Emitter vorgelagerten n-Pufferzone beschrieben.
  • In der DE 100 53 445 C2 ist ein Leistungs-IGBT beschrieben, dessen p-Emitter eine im Vergleich zur n-Basis höher dotierte n-dotierte Feldstoppzone vorgelagert ist, die einen sich an den p-Emitter anschließenden höher dotierten Abschnitt und einen sich an den höher dotierten Abschnitt anschließenden schwächer dotierten Abschnitt aufweist.
  • Für die Herstellung von Leistungs-Halbleiterbauelementen in Dünnscheibentechnik ist es bekannt, zunächst einen Halbleiterwafer – aus dem die einzelnen Chips später ausgesägt werden – zur Verfügung zu stellen, dessen Dicke größer ist als die gewünschte Dicke der späteren Bauelemente und den Wafer im Verlauf des Herstellungsverfahrens in seiner Dicke zu reduzieren, d. h. zu dünnen. Dabei ist es gewünscht, möglichst viele Prozessschritte – beispielsweise auch die Prozessschritte zur Herstellung einer solchen Feldstoppzone – vor dem Dünnen durchzuführen, um den nach dem Dünnen mechanisch weniger stabilen Wafer thermisch oder mechanisch möglichst wenig zu belasten.
  • Ein Dünnen eines Halbleiterkörpers kann in bekannter Weise durch Dünnschleifen des Halbleiterkörpers, durch Dünnschleifen und nachfolgendes Ätzen des Halbleiterkörpers oder nur durch Ätzen des Halbleiterkörpers erfolgen.
  • Eine Möglichkeit, zur Realisierung einer solchen n-dotierten Halbleiterzone ist üblicherweise die Eindiffusion von Phosphor in den Halbleiterkörper. Dieses Verfahren besitzt allerdings den Nachteil, dass aufgrund der niedrigen Diffusionskonstanten von Phosphor Diffusionsprozesse mit extrem langen Diffusionsdauern bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt werden müssen, um so hohe Eindringtiefen zu erreichen, wie sie zur Herstellung einer Feldstoppzone vor einem Dünnen des Wafers erforderlich sind. Die Diffusionsdauer für die Herstellung einer n-dotierten Zone mit einer Eindringtiefe von etwa 200 μm beträgt mehrere Wochen bei Diffusionstemperaturen weit über 1200°C.
  • Aus der langen Diffusionsdauer und der hohen Diffusionstemperatur resultiert eine starke Belastung des Halbleiterkörpers dahingehend, dass eine hohe Sauerstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper entsteht, die sowohl im Hinblick auf eine unerwünschte Bildung sogenannter thermischer Donatoren als auch im Hinblick auf die Erzeugung störender Rekombinations- und Generationszentren nachteilig sein kann. Darüber hinaus lässt sich der Gradient des Dotierungsprofils der durch den Diffusionsprozess gebildeten n-dotierten Halbleiterzone nicht beliebig absenken, da hierdurch die ohnehin langen Diffusionsdauern noch weiter ansteigen würden.
  • In der DE 198 29 614 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppschicht eines IGBT beschrieben, bei dem vorgesehen ist, die Stoppschicht mittels eines Diffusionsverfahrens zunächst mit einer Dicke herzustellen, die größer als elektrisch erforderlich ist, und das Bauelement anschließend zu dünnen, um die gewünschte Dicke der Stoppschicht zu erhalten.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer vergrabenen Feldstoppzone mittels Ionenimplantation ist beispielsweise in der DE 102 43 758 A1 beschrieben.
  • Die WO 01/86712 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Punch-Through-IGBT, bei dem eine hoch n-dotierte Pufferschicht durch Wasserstoffimplantation in einem Halbleiterkörper des IGBT hergestellt wird.
  • Die EP 1 097 481 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone in einem Leistungshalbleiterbauelement durch Eindiffundieren von Schwefel oder Selen in einen Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone mit zwei unterschiedlich stark dotierten Abschnitten, von denen einer einen kleinen Gradienten des Dotierungsverlaufes aufweist, zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig realisierbar ist und das darüber hinaus den Halbleiterkörper nur wenig belastet, und ein Halbleiterbauelement mit einer Feldstoppzone zur Verfügung zu stellen.
  • Dieses Ziel wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 11 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper weist folgende Verfahrensschritte auf:
    • – Durchführen eines Diffusionsprozesses zum Eindiffundieren von Schwefel, Wasserstoff oder Selen ausgehend von einer Sei te in den Halbleiterkörper, um eine erste n-dotierte Halbleiterzone zu erzeugen,
    • – Herstellen einer zweiten n-dotierten Halbleiterzone in der ersten Halbleiterzone, die höher als die erste Halbleiterzone dotiert ist.
  • Die Dauer und die Temperatur während des Diffusionsprozesses ist von der gewünschten Eindringtiefe der erste Halbleiterzone ausgehend von der einen Seite abhängig.
  • Schwefel und Wasserstoff besitzen eine hohe Diffusionskonstante und eignen sich insbesondere für die Herstellung tiefdiffundierter erster Halbleiterzonen mit einer Eindringtiefe von 200 μm und mehr bei vergleichsweise geringen Temperaturen und Diffusionszeitdauern. Eine tiefdiffundierte Halbleiterzone mit einer Eindringtiefe von etwa 250 μm kann durch Schwefeleindiffusion bei einer Diffusionsdauer von etwa 10 Stunden und bei einer Diffusionstemperatur von etwa 1000°C erhalten werden. Eine tiefdiffundierte erste Halbleiterzone mit einer Eindringtiefe zwischen 250 μm und 500 μm kann durch Wasserstoffeindiffusion bereits bei Diffusionsdauern zwischen 30 Minuten und 120 Minuten bei einer Diffusionstemperatur von etwa 400°C erreicht werden.
  • Insbesondere durch Variation der Diffusionsdauer lässt sich die Endringtiefe der ersten Halbleiterzone variieren, so dass durch Eindiffusion von Schwefel oder Wasserstoff erste Halbleiterzonen mit Eindringtiefen zwischen 30 μm und mehr als 300 μm bei Diffusionsdauern von deutlich weniger als 24 Stunden und Diffusionstemperaturen von ca. 1000°C bzw. 400°C herstellbar sind.
  • Die im Vergleich zur Herstellung von n-dotierten Halbleiterzonen mittels Phosphoreindiffusion deutlich geringeren Diffusionsdauern und Diffusionstemperaturen bewirken eine wesentliche geringere Belastung des Halbleiterkörpers, wobei insbe sondere eine Beeinflussung der Ladungsträgerlebensdauer oder des Leckstromes in dem späteren Bauelement erheblich reduziert ist.
  • Die Diffusionstiefe während des Diffusionsprozesses zur Herstellung der ersten Halbleiterzone kann so eingestellt werden, dass die Abmessungen der ersten Halbleiterzone den gewünschten Abmessungen für diese Zone in dem späteren Bauelement entsprechen. Bei Herstellungsverfahren von Bauelementen, bei denen zunächst ein dickerer Halbleiterkörper bzw. eine dickere Halbleiterscheibe bereitgestellt wird, die im Verlauf des Herstellungsverfahrens auf eine für die späteren Bauelemente gewünschte Dicke zurück geschliffen wird, besteht die Möglichkeit, den Diffusionsprozess zur Herstellung der ersten Halbleiterzone durchzuführen, bevor der Halbleiterkörper zurückgeschliffen wird oder nachdem der Halbleiterkörper teilweise zurückgeschliffen wurde. Die Parameter während dieses Diffusionsprozesses werden dann so gewählt, dass eine tiefdiffundierte erste Halbleiterzone entsteht, deren Abmessungen in Diffusionsrichtung wesentlich größer sind, als die Abmessung der gewünschten ersten Halbleiterzone in dem späteren Bauelement. Die letztendlichen Abmessungen dieser n-dotierten Zone entstehen dabei durch das Zurückschleifen bzw. Dünnen des Halbleiterkörpers.
  • Die durch den Diffusionsprozess eingestellte Eindringtiefe der ersten Halbleiterzone liegt vor Zurückschleifen des Halbleiterkörpers beispielsweise zwischen 200 μm und 300 μm und nach dem Zurückschleifen beispielsweise zwischen 30 μm und 60 μm. Sofern der gewünschte Abtrag des Halbleiterkörpers größer ist, als die Differenz zwischen der durch den Diffusionsprozess einstellbaren Eindringtiefe der ersten Halbleiterzone und der gewünschten Eindringtiefe in dem späteren Bauelement, kann der Halbleiterkörper vor Durchführen des Diffusionsprozesses bereits teilweise zurückgeschliffen werden, was insbesondere dadurch möglich ist, dass die Temperaturbelastung des Halbleiterkörpers bzw. des mehrere Halbleiterkörper umfassen den Wafers bei Durchführung einer Schwefel- oder Wasserstoffeindiffusion im Vergleich zu beispielsweise einer Phosphordiffusion sehr gering ist, was wiederum eine geringere Dicke der Scheibe zulässt, ohne dass diese durch den Temperaturprozess zerstört wird.
  • Der nach dem Herstellen der zweiten Halbleiterzone verbleibende Abschnitt der ersten Halbleiterzone soll einen Verlauf der Dotierungskonzentration in Diffusionsrichtung mit kleinem Gradienten besitzen. Durch Schwefel- oder Wasserstoffeindiffusion lässt sich ein Dotierungsverlauf mit einem solchen kleinen Gradienten erzeugen, wobei die Diffusionsparameter so eingestellt werden, dass zunächst ein tiefdiffundierter Bereich hergestellt wird, der nachfolgend teilweise abgetragen wird. In diesem Fall besitzt der nach dem Abtragen verbleibende Abschnitt der ersten Halbleiterzone den gewünschten kleinen Gradienten des Dotierungsverlaufs.
  • Da Wasserstoff schon bei sehr geringen Temperaturen eindiffundiert werden kann, kann ein Dotierungsprofil unter Verwendung von eindiffundiertem Wasserstoff auch nach Dünnen des Wafers/der Halbleiterscheibe hergestellt werden, wobei die Gefahr einer Zerstörung des Halbleiterkörpers durch die Temperaturbelastung relativ gering ist. Die Eindringtiefe wird bei Herstellung der dotierten Zone an einem bereits gedünnten Wafer entsprechend niedriger eingestellt, was beispielsweise über die Diffusionsdauer erfolgt,
  • Wenn die gewünschte Enddicke der Halbleiterscheibe groß genug ist, Temperaturen von etwa 1000°C ohne Zerstörung standzuhalten, und wenn kein Dünnen dieser Scheibe erforderlich ist, kann zur Herstellung einer ersten Halbleiterzone mit kleinem Gradienten des Dotierungsverlaufs und niedriger Eindringtiefe, d. h. Eindringtiefen zwischen 30 μm und 60 μm auch Selen verwendet werden, das bei einer Diffusionsdauer zwischen 1 Stunde und 10 Stunden bei einer Diffusionstemperatur von etwa 900°C bis 1000°C eindiffundiert wird.
  • Die Herstellung der stärker dotierten zweiten Halbleiterzone in der ersten Halbleiterzone erfolgt vorzugsweise durch Protonenimplantation und einen nachfolgenden Ausheilschritt. Dies kann auch an dem bereits gedünnten Wafern durchgeführt werden, da die erforderliche Ausheiltemperatur zwischen 380°C und 550°C liegt und die Ausheildauer zwischen einer und einigen Stunden beträgt, was auch für bereits gedünnte Wafer relativ unkritisch ist. Durch eine solche Protonenimplantation und den nachfolgenden Ausheilschritt entstehen wasserstoffinduzierte bzw. wasserstoffkorrelierte Donatoren, die die n-Dotierung der zweiten Halbleiterzone bewirken.
  • Wenn die gewünschte Enddicke des Wafers nicht zu gering ist, kann die stärker dotierte zweite Halbleiterzone darüber hinaus auch durch Implantation und Aktivierung oder eine geringfügig Eindiffusion von Phosphor in einen oberflächenahen Bereich des Halbleiterkörpers erfolgen. Da die Eindringtiefe hierbei geringer sein soll als die Eindringtiefe der Schwefel-, Wasserstoff- oder Selenatome während des vorangegangenen Diffusionsschrittes kann die Dauer des Phosphoraktivierungsprozesses zur Herstellung der zweiten Halbleiterzone ebenfalls vergleichsweise kurz gehalten werden.
  • Die Herstellung der schwächer dotierten ersten Halbleiterzone erfolgt vorzugsweise derart, dass deren effektive Donatordosis unterhalb der Durchbruchsladung liegt, während die Donatorkonzentration in der höher dotierten zweiten Halbleiterzone so hoch ist, dass sie die bei maximaler Spannung an dem Bauelement anliegende Raumladungszone stoppt.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist eine in einem Halbleiterkörper angeordnete n-dotierte Feldstoppzone auf, die einen schwächer dotierten Abschnitt und einen stärker dotierten Abschnitt aufweist, wobei die maximale Dotierungskonzentration in dem schwächer dotierten Abschnitt vorzugsweise zwischen 2·1013 cm–3 und 5·1014 cm–3 beträgt und wobei die Do tierungskonzentration in dem schwächer dotierten Abschnitt ausgehend von dem stärker dotierten Abschnitt abnimmt.
  • In Nakagawa a. a. O. ist für Leistungs-IGBT der Effekt beschrieben, dass es im Bereich der n-Basis des Bauelements benachbart zu der höher dotierten Pufferzone oder Feldstoppzone zu sehr hohen Feldstärken kommen kann, wenn das Bauelement bei hohen Stromdichten, wie beispielsweise im Kurzschlussfall, betrieben wird oder wenn hohe Ströme geschaltet werden. Man spricht hierbei von einem Umklappen des elektrischen Feldes, da sich der Bereich hoher Feldstärke von dem pn-Übergang zwischen p-Basis und n-Basis in den Bereich der n-Basis vor der Feldstoppzone verlagert. Dieses Umklappen des elektrischen Feldes kann zu einem lokalen Durchbruch des IGBT, und schließlich zu einer Zerstörung des Bauelements führen.
  • Bei Vorsehen einer Feldstoppzone mit einem durch die zweite Halbleiterzone gebildeten stärker dotierten Abschnitt und mit einem schwächer dotierten und einen kleinen Gradienten des Dotierungsverlaufs aufweisenden durch die erste Halbleiterzone gebildeten weiteren Abschnitt wird dieser Effekt gemindert. Der schwächer dotierte Abschnitt mit kleinem Gradienten ermöglicht in weiter entfernt zu dem stark dotierten Abschnitt liegenden Bereichen eine teilweise Kompensation und in den näher zum stärker dotierten Abschnitt liegenden Bereichen eine Überkompensation der negativen Ladungen, die in diesem Bereich bei einem Umklappen der elektrischen Feldverteilung auftreten. Bei relativ geringer Dotierungskonzentration in dem schwächer dotierten Abschnitt kann in dem gesamten schwächer dotierten Bereich eine teilweise Kompensation auftreten, während einer Überkompensation erst in dem stärker dotierten Abschnitt stattfindet. In beiden Fällen führt diese Kompensation im Fall des Umklappens der Feldverteilung zu einer Verbreiterung der Feldverteilung, wodurch die auftretende maximale elektrische Feldstärke deutlich reduziert wird, und wodurch die Neigung zum Durchbruch oder zu einer Stromfilamentierung ebenfalls deutlich reduziert wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
  • 1 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren während eines ersten Verfahrensschrittes zur Herstellung einer n-dotierten ersten Halbleiterzone in einem Halbleiterkörper.
  • 2 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren während weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung einer zweiten n-dotierten Halbleiterzone in dem Halbleiterkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 3 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren während weiterer Verfahrensschritte zur Herstellung einer zweiten n-dotierten Halbleiterzone in dem Halbleiterkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 4 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt ein als Leistungs-IGBT ausgebildetes Bauelement mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Feldstoppzone.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.
  • 1 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen Halbleiterkörper 100 während eines Verfahrensschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper 100. Während dieses Verfahrensschrittes wird Schwefel, Wasserstoff oder Selen ausgehend von einer Seite 101 in den Halbleiterkörper eindiffundiert, um eine erste n-dotierte Halbleiterzone 11 zu er zeugen. Die Seite 101, über welche die Eindiffusion des Dotierstoffmaterials erfolgt, ist entweder die Vorder- oder Rückseite des späteren Bauelements, im allgemeinen die Rückseite.
  • Die Eindiffusion kann beispielsweise über eine Gasphase von außen her über die eine Seite 101 erfolgen. Das Dotierstoffmaterial kann aber auch beispielsweise in eine oberflächennahe Schicht 200 des Halbleiterkörpers 100 implantiert werden, um eine Dotierstoffe enthaltende Schicht zu bilden, wobei der Halbleiterkörper anschließend für eine Diffusionsdauer auf eine Diffusionstemperatur aufgeheizt wird, wodurch die in dieses Schicht eingebrachten Dotierstoffatome weiter in den Halbleiterkörper 100 eindiffundieren. Die Abmessungen dieser oberflächennahen Schicht 200 vor Beginn des Diffusionsvorgangs sind gestrichelt dargestellt.
  • Die Tiefe bis in welche die Dotierstoffatome während des Diffusionsschrittes in den Halbleiterkörper 100 eindiffundieren, bestimmt die Abmessung d1 der n-dotierten Halbleiterzone 11 in der Diffusionsrichtung, also im vorliegenden Fall der Richtung senkrecht zu der einen Seite 101. Diese Abmessung d1 wird nachfolgend als Dicke der n-dotierten ersten Halbleiterzone 11 bezeichnet und ist abhängig von den Parametern während des Diffusionsprozesses, insbesondere von der Diffusionsdauer und der Diffusionstemperatur. Die Diffusionstemperaturen betragen für Schwefel etwa 1000°C, für Wasserstoff etwa 400°C und für Selen etwa 900°C–1000°C. Die Diffusionsdauer, die maßgeblich die Eindringtiefe bestimmt, liegt für Schwefel zwischen 1 Stunde und 10 Stunden, für Wasserstoff zwischen 30 Minuten und 120 Minuten und für Selen zwischen 1 Stunde und 10 Stunden. Die Randkonzentration der Halbleiterzone 11 nach dem Temperaturschritt, d. h. die Dotierstoffkonzentration unmittelbar im Bereich der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 an der Seite 101 wird beispielsweise bei Anwendung eines Implantationsverfahrens zum Einbringen der Dotierstoffatome in eine oberflächennahe Halbleiterschicht durch die Implantationsdosis vorgegeben.
  • Der Verlauf der Dotierungskonzentration in dieser n-dotierten Halbleiterzone 11 ist im linken Teil der 1 schematisch dargestellt. Die Dicke bzw. maximale Eindringtiefe d1 beträgt für eine Schwefeleindiffusion für eine Zeitdauer von 10 Stunden bei einer Temperatur von 1000°C etwa 250 μm. Das Maximum der Dotierungskonzentration, das im Bereich der einen Seite 101 liegt, beträgt dabei etwa 3·1014 cm–3. Diese Dotierungskonzentration nimmt mit zunehmender Eindringtiefe bis auf den Wert einer Grunddotierung des Halbleiterkörpers 100, der in dem Beispiel schwach n-dotiert ist, ab. In dem Beispiel gemäß 1 weist ein an die erste n-dotierte Halbleiterzone 11 angrenzender Bereich 21 die Grunddotierung des Halbleiterkörpers auf.
  • Wie bereits ausgeführt, ist es für die Herstellung von Leistungs-Halbleiterbauelementen in Dünnscheibentechnik bekannt, zunächst einen Halbleiterwafer – aus dem die einzelnen Chips später ausgesägt werden – zur Verfügung zu stellen, dessen Dicke größer ist als die gewünschte Dicke der späteren Bauelemente und den Wafer im Verlauf des Herstellungsverfahrens zu dünnen. Dabei ist es gewünscht, möglichst viele Prozessschritte vor dem Dünnen durchzuführen, um den nach dem Dünnen mechanisch weniger stabilen Wafer möglichst wenig thermisch und mechanisch zu belasten.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Eindiffusion von Schwefel oder Wasserstoff vorsieht, lassen sich bei vergleichsweise geringen Temperaturen und vergleichsweise niedrigen Diffusionszeiten n-dotierte erste Halbleiterzonen mit Dicken von bis zu 500 μm erzeugen, die außerdem einen geringen Dotierungsgradienten aufweisen, da die Randkonzentration während der Eindiffusion – beispielsweise im Gegensatz zu einer Phosphoreindiffusion – aufgrund der hohen Diffusionskonstanten relativ gering gehalten werden kann. Feldstoppzonen für Leistungs-Halbleiterbauelemente weisen üblicherweise eine Dicke zwischen 30 μm und 60 μm auf, so dass das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung der n-dotierten ersten Halbleiterzone noch vor dem Dünnen des Wafers ermöglicht. Hierbei wird zunächst eine n-dotierte Zone mit einer größeren als der gewünschten Dicke erzeugt wird und die hieraus resultierende n-dotierte Zone wird anschließend durch Dünnen, d. h. Schleifen und/oder Ätzen, des Wafers auf die gewünschte Dicke gebracht wird.
  • Selbstverständlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, bei Schwefel- oder Wasserstoffeindiffusion die Diffusionsparameter so zu wählen, dass eine n-dotierte erste Halbleiterzone der gewünschten Dicke erreicht wird, wenn kein Dünnen des Wafers gewünscht oder erforderlich ist. Zur Herstellung einer n-dotierten Halbleiterzone mit flachen Gradienten des Dotierungsverlaufs und einer niedrigen Eindringtiefe ist insbesondere die Eindiffusion von Selen bei Diffusionstemperaturen zwischen 900°C und 1000°C und Diffusionsdauern zwischen 1 Stunde und 10 Stunden geeignet, wobei der Gradient über die Implantationsdosis der Selenatome, die vor der Diffusion in den Halbleiterkörper implantiert werden, kontrolliert wird.
  • Zur Herstellung der Feldstoppzone wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der wie erläutert hergestellten ersten n-dotierten Halbleiterzone 11 eine zweite n-dotierte Halbleiterzone hergestellt, die höher als die erste n-dotierte Halbleiterzone dotiert ist. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen stärker n-dotierten zweiten Halbleiterzone wird nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert.
  • Sofern ein Dünnen des Halbleiterkörpers 100 erforderlich ist, erfolgt dieses Dünnen vor dem Herstellen dieser stärker dotierten zweiten Halbleiterzone. Die Verfahrensschritte zur Herstellung der zweiten Halbleiterzone sind identisch, unabhängig davon, ob vorher ein Dünnen des Halbleiterkörpers 100 erfolgt. Für die nachfolgende Erläuterung wird von einem ge dünnten Halbleiterkörper ausgegangen. Mit 100' ist in den 2 und 3 der gedünnte Halbleiterkörper, mit 11' der nach dem Dünnen verbleibende Abschnitt der ersten Halbleiterzone 11 und mit 101' die nach dem Dünnen freiliegende Seite des Halbleiterkörpers bezeichnet. In Klammern sind in den 2 und 3 die Bezugszeichen für den Fall angegeben, dass vor dem Herstellen der zweiten n-dotierten Halbleiterschicht kein Dünnen des Halbleiterkörpers erfolgt.
  • Bei dem anhand von 2 erläuterten Verfahren zur Herstellung einer stärker n-dotierten zweiten Halbleiterzone 32 in dem verbleibenden Abschnitt der ersten Halbleiterzone 11' werden in einem ersten Verfahrensschritt (2a) Protonen beispielsweise mit einer Dosis von 1·1014 cm–3 bis 2·1015 cm–3 über die eine Seite 101' in den Halbleiterkörper 100' implantiert, um in einem Bereich 31 innerhalb der ersten Halbleiterzone 11' Defekte zu erzeugen. An diese Protonenimplantation schließt sich nachfolgend ein Ausheilschritt an, während dessen der Halbleiterkörper für eine vorgegebene Zeitdauer, z. B. zwischen 1 und 4 Stunden, auf eine vorgegebene Temperatur, z. B. zwischen 380°C und 550°C, aufgeheizt wird, wodurch die Defekte zumindest teilweise ausgeheilt werden und wasserstoffinduzierte bzw. wasserstoffkorrelierte Donatoren entstehen, die den höher n-dotierten Bereich 32 bilden. Der Dotierungskonzentrationsverlauf dieses Bereichs in der Implantationsrichtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Waferoberfläche, folgt im Wesentlichen der Verteilung der durch die Protonenimplantation hervorgerufenen Defekte und ist darüber hinaus von der Temperatur und der Dauer des Ausheilschrittes abhängig.
  • In dem Beispiel gemäß 2b reicht der stärker dotierte Bereich 32 bis an die Rückseite 101. Dies kann nach der Protonenimplantation dadurch erreicht werden, dass hohe Ausheiltemperaturen im Bereich von bis zu 550°C bei Ausheildauern von mehr als einer Stunde gewählt werden. Durch die hohen Ausheiltemperaturen und langen Ausheildauern verbreitert sich die hoch dotierte Zone und reicht schließlich bis an die Rückseite. Das Maximum der Dotierung des stärker dotierten Bereichs liegt beabstandet zu der Rückseite 101 im Bereich des sogenannten End-Of-Range der Bestrahlung und ist im Wesentlichen von der Implantationsenergie abhängig, mit welcher die Protonen implantiert werden. Diesbezüglich wird insbesondere auf die bereits oben erwähnte DE 102 43 758 A1 verwiesen.
  • Bei niedrigeren Ausheiltemperaturen, beispielsweise Temperaturen zwischen 380°C und 400°C, und kürzeren Ausheildauern, beispielsweise von maximal einer Stunde, bildet sich ein höher dotierter Bereich 32, dessen Bereich maximaler Dotierungskonzentration ebenfalls im Bereich des End-Of-Range der Protonenbestrahlung liegt, der allerdings beabstandet zu der Rückseite 101' liegt. Die Dotierung in dem Abschnitt zwischen der Rückseite 101' und dem stärker dotierten Bereich 32 resultiert aus der Erzeugung der ersten Halbleiterzone 11.
  • Ob die stärker dotierte Zone 32 nach der Protonenimplantation und dem Ausheilschritt bis an die Rückseite reicht, hängt nicht zuletzt auch von der Tiefe ab, in welche die Protonen implantiert werden. So reichen bei niedrigen Implantationstiefen bereits geringere Ausheiltemperaturen und Ausheildauern, um die hoch dotierte Zone bis an die Rückseite 101' zu verbreitern als bei größeren Implantationstiefen.
  • Im linken Teil der 2b und 2c ist der Dotierungsverlauf in der stärker n-dotierten zweiten Halbleiterzone 32 und in dem verbleibenden Abschnitt 11' der ersten Halbleiterzone dargestellt. Wie ersichtlich ist, ist die Dotierungskonzentration in dem zweiten Halbleiterbereich 32 wesentlich höher als die Dotierungskonzentration in dem sich an die zweite Zone 32 anschließenden verbleibenden Abschnitt der ersten Halbleiterzone 11'.
  • Mit d ist in den 2b und 2c die Abmessung der Feldstoppzone in der vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100, also der Richtung senkrecht zu der Rückseite 101' bezeichnet. Die Feldstoppzone umfasst den stärker dotierten Abschnitt 32 und den Teilabschnitt der schwächer dotierten Zone 11, der sich an der der Rückseite 101' abgewandten Seite der stärker dotierten Zone 32 anschließt bzw. der sich in Richtung der Vorderseite an die stärker dotierte Zone 32 anschließt. Die Abmessung dieses Teilabschnitts der schwächer dotierten Zone 11 ist in den 2b und 2c mit d2 bezeichnet.
  • Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer stärker n-dotierten zweiten Halbleiterzone 33 in der schwächer n-dotierten ersten Halbleiterzone 11' ist in 3 dargestellt. Bei diesem Verfahren werden ausgehend von der einen Seite 101' Phosphoratome in den gedünnten Halbleiterkörper 100' oder den nicht-gedünnten Halbleiterkörper 100 eingebracht, um die zweite Halbleiterzone 33 zu erzeugen. Hierfür werden beispielsweise Phosphoratome in eine oberflächennahe Schicht 210 auf der einen Seite 101' des Halbleiterkörpers implantiert und anschließend aktiviert bzw. etwas eindiffundiert.
  • Die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende Feldstoppschicht weist bezugnehmend auf die 2b und 3 einen schwächer dotierten 11' Abschnitt mit einem flachen Gradienten des Dotierungsverlaufes auf, was im linken Teil der 2b anhand des Verlaufes der Dotierungskonzentration in vertikaler Richtung das Halbleiterkörpers 100' dargestellt ist, und einen sich an den schwächer dotierten Abschnitt anschließenden höher dotierten Abschnitt 32 (2b) bzw. 33 (3) auf. Die Dotierungskonzentration in diesem schwacher dotierten Bereich ist so eingestellt, dass die Dotierung in der schwächer dotierten Halbleiterzone unterhalb der Durchbruchsladung liegt. Die Dotierungskonzentration beträgt hierfür vorzugsweise maximal 2·1013 cm–3 bis 5·1014 cm–3. Die Dotierungskonzentration in dem schwächer dotierten Abschnitt nimmt ausgehend von dem stärker dotierten Abschnitt ab.
  • Die Dotierung in dem stärker dotierten Abschnitt 32 bzw. 33 ist so gewählt, dass sie oberhalb der Durchbruchsladung liegt, um in der stärker dotierten Zone 31 bzw. 33 ein elektrische Feld bei Betrieb des Bauelemente sicher zu stoppen. Die hierfür in dem stärker dotierten Abschnitt 32 bzw. 33 vorhandene elektrisch aktive Donatordosis beträgt vorzugsweise zwischen 1·1012 cm–2 und 5·1014 cm–2. Die zuvor gemachten Angaben bezüglich der Dotierungskonzentration bzw. Donatordosis gelten für Silizium als Halbleitermaterial.
  • Die Ausdehnung d der Feldstoppzone in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers beträgt vorzugsweise zwischen 30 μm und 100 μm, wobei zwischen 0,5 μm und 20 μm auf den stärker dotierten Abschnitt 32 bzw. 33 entfallen.
  • 4 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen Leistungs-IGBT mit einer nach dem erfindungsgemäßen verfahren hergestellten Feldstoppzone, die eine schwächer n-dotierten ersten Abschnitt 11' und einen stärker n-dotierten zweiten Abschnitt 32, 33 aufweist. An diese Feldstoppzone schließt sich bei dem Leistungs-IGBT im Bereich der einen Seite 101', die in dem Beispiel die Rückseite des Bauelements ist, der p-Emitter an, der nach Herstellung der Feldstoppzone im Rückseitenbereich des Halbleiterkörpers 100' hergestellt wird. Zur Herstellung dieses p-Emitters werden beispielsweise p-Dotierstoffatome in den Halbleiterkörper 100' in bekannter Weise, beispielsweise durch eine Implantation, eingebracht. Eine Aktivierung der eindiffundierten Dotierstoffatome dieses rückseitigen Emitters 41 kann beispielsweise mittels eines Laserausheilverfahrens (Laser Annealing) erfolgen. Bei Herstellung der zweiten n-dotierten Halbleiterzone 33 mittels Phosphorimplantation (vgl. 3) kann dabei die Aktivierung der Dotierstoffatome des Rückseitenemitters und die Ak tivierung der n-Dotierstoffatome der zweiten Halbleiterzone 33 in einem gemeinsamen Verfahrensschritt erfolgen.
  • Der sich an den schwächer dotierten Abschnitt 11' der Feldstoppzone anschließende, die Grunddotierung des Halbleiterkörpers aufweisende Halbleiterbereich 21 bildet die n-Basis des IGBT. Im Bereich einer der Rückseite 101' abgewandten Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers ist ein Zellenfeld mit p-dotierten p-Basis-Zonen 52 und n-dotierten n-Emitterzonen 51 angeordnet. Eine Gate-Elektrode 53 ist mittels einer Isolationsschicht 54 isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper 100' angeordnet und dient bei Anlegen eines Ansteuerpotentials zur Ausbildung eines leitenden Kanals in den p-Basis-Zonen 52 zwischen den n-Emitterzonen 51 und der n-Basis 21 des Bauelements.
  • Die Herstellung des schwächer n-dotierten Abschnitts 11' dieser Feldstoppzone erfolgt vorzugsweise derart, dass die effektive Donatordosis in dem Abschnitt 11' niedriger ist als die Durchbruchsladung. Die maximale Dotierungskonzentration dieses schwächer dotierten Abschnitts der Feldstoppzone liegt vorzugsweise zwischen 2·1013 cm–3 und 5·1014 cm–3.
  • Die Herstellung der höher n-dotierten zweiten Halbleiterzone 32, 33 erfolgt derart, dass die Dotierungskonzentrationen dieser Halbleiterzone 32, 33 ausreichend hoch ist, um die Raumladungszone bei anliegender maximaler Spannung zu stoppen, ein Durchgreifen der Raumladungszone auf den Rückseitenemitter 41 also zu verhindern.
  • Der geringe Gradient des Verlaufs der Dotierungskonzentration in der ersten Halbleiterzone 11', der aus dem im linken Teil der 2b dargestellten Dotierungsverlauf in der Feldstoppzone ersichtlich ist, wirkt dem in Nakagawa a. a. O. beschriebenen "Umklappen" des elektrischen Feldes bei hohen Stromdichten oder beim Schalten großer Ströme entgegen und trägt so zur Steigerung der Robustheit des Bauelements bei.
    • 11, 11'
    erste n-dotierte Halbleiterzone, erster Abschnitt der Feldstoppzone
    41
    p-Emitter, Rückseitenemitter
    51
    n-Emitter
    52
    Body-Zone, p-Basis
    53
    Gate-Elektrode
    54
    Isolationsschicht
    61
    Anschlusselektrode
    31, 32, 33
    zweite n-dotierte Halbleiterzone, zweiter Abschnitt der Feldstoppzone
    100
    Halbleiterkörper
    100'
    gedünnter Halbleiterkörper
    101
    Rückseite des Halbleiterkörpers
    101'
    Rückseite des gedünnten Halbleiterkörpers

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung einer n-dotierten Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper (100), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Durchführen eines Diffusionsprozesses zum Eindiffundieren von Schwefel, Wasserstoff oder Selen ausgehend von einer Seite (101; 101') in den Halbleiterkörper (100), um eine erste n-dotierte Halbleiterzone (11; 11') zu erzeugen, – Herstellen einer zweiten n-dotierten Halbleiterzone (32; 33) in der ersten Halbleiterzone (11; 11'), die höher als die erste Halbleiterzone (11; 11') dotiert ist, wobei der Halbleiterkörper (100) nach dem Diffusionsprozess und vor Herstellen der zweiten Halbleiterzone (32; 33) ausgehend von der einen Seite (101; 101') teilweise entfernt wird, um die erste Halbleiterzone (11) teilweise zu entfernen, und wobei der Diffusionsprozess so gewählt ist, dass die Dotierung in dem nach Herstellen der zweiten Halbleiterzone (32; 33) verbleibenden Abschnitt der ersten Halbleiterzone (11; 11') kleiner ist als die Durchbruchsladung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das eindiffundierte Material Schwefel ist und bei dem eine Diffusionsdauer 1 bis 20 Stunden bei einer Diffusionstemperatur von etwa 900°C bis 1000°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das eindiffundierte Material Wasserstoff ist und bei dem eine Diffusionsdauer 30 Minuten bis 200 Minuten bei einer Diffusionstemperatur von etwa 400°C beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das eindiffundierte Material Selen ist und bei dem eine Diffusionsdauer 1 bis 10 Stunden bei einer Diffusionstemperatur von etwa 900°C bis 1000°C beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Herstellen der zweiten Halbleiterzone (32) folgende Verfahrensschritte umfasst: – Bestrahlen des Halbleiterkörpers (100; 100') über die eine Seite (101; 101') mit Protonen, – Durchführen einer Temperaturbehandlung, bei welcher der Halbleiterkörper (100; 100') für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird, um wasserstoffinduzierte Donatoren zu erzeugen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Bestrahlung derart erfolgt, dass ein Maximum von Bestrahlungsdefekten, die durch die Bestrahlung hervorgerufen werden, in einem Abstand zwischen 0,5 μm und 20 μm zu der einen Seite (101; 101') liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Temperatur während des Temperaturschrittes zwischen 380°C und 550°C, vorzugsweise zwischen 380°C und 500°C, beträgt und bei dem die Dauer des Temperaturschrittes zwischen 1 Stunde und 4 Stunden beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zweite n-dotierte Halbleiterzone (33) mittels Implantation von Phosphor über die eine Seite (101; 101') hergestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem sich ein Temperaturschritt an die Implantation anschließt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (100; 101') aus Silizium besteht.
  11. Halbleiterbauelement mit einer in einem Halbleiterkörper (100; 100) angeordneten n-dotierten Feldstoppzone (11, 32; 11', 33), die einen schwächer dotierten Abschnitt (11') und einen stärker dotierten Abschnitt (32; 33) aufweist, wobei die effektive Donatordosis in dem schwächer dotierten Abschnitt (11') kleiner ist als die Durchbruchsladung und wobei die Dotierungskonzentration in dem schwächer dotierten Abschnitt (11') ausgehend von dem stärker dotierten Abschnitt (32; 33) abnimmt, und mit einer sich an den schwächer dotierten Abschnitt (11; 11') anschließenden n-Basis (21), die schwächer als dieser schwächer dotierte Abschnitt (11; 11') dotiert ist.
  12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Abmessungen der Feldstoppzone (11, 32; 11, 33) in einer Richtung senkrecht zu einer Seite des Halbleiterkörpers zwischen 30 μm und 100 μm betragen.
  13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, bei dem die Abmessungen des stärker dotierten Abschnitts (32, 33) in der Richtung senkrecht zu der einen Seite (101') zwischen 0,5 μm und 20 μm betragen.
  14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der schwächer dotierte Abschnitt (11') Schwefel, Wasserstoff oder Selen aufweist.
  15. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem der stärker dotierte Abschnitt (32; 33) wasserstoffinduzierte Donatoren aufweist.
  16. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem der stärker dotierte Abschnitt (32; 33) Phosphor aufweist.
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