DE102004047749A1 - Halbleiterbauteil sowie dafür geeignetes Herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleiterbauteil sowie dafür geeignetes Herstellungsverfahren Download PDF

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil weist einen ersten Anschlussbereich (11), einen zweiten Anschlussbereich (12) und ein Halbleitervolumen (13) auf, das zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlussbereich angeordnet ist. Innerhalb des Halbleitervolumens (13) ist in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs (12) eine Feldstoppzone (14) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleitervolumen ausbildbaren Raumladungszone und ein an den ersten Anschlussbereich angrenzender Anodenbereich (15) vorgesehen. Der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens (13) ist so ausgestaltet, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einer dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Grenzfläche (17) des Anodenbereichs, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs erst nahe der Grenzfläche (18) der Feldstoppzone, die dem zweiten Anschlussbereich zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil sowie ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren.
  • Wenn Halbleiterbauteile ein weiches Schaltverhalten aufweisen sollen, müssen sie so ausgelegt sein, dass beim Schalten Stromabrisse vermieden werden. Stromabrisse treten beispielsweise bei hartem Abkommutieren von Dioden auf. Ein derartiger Stromabriss hat zur Folge, dass starke Spannungs- bzw. Stromschwingungen auftreten. Überschreiten derartige Schwingungen für die Diode zulässige Maximalwerte, so kann es zur Zerstörung der Diode kommen. Eine Zerstörung der Diode kann auch durch übermäßig starke Einstreueffekte auf Ansteuerprozesse, die durch die Strom- bzw. Spannungsschwankungen bewirkt werden, und daraus resultierendes Fehlverhalten der Ansteuerprozesse begründet sein. Die oben beschriebene Problematik tritt insbesondere bei Schaltungen mit hoher Streuinduktivität, hohen Strömen (beispielsweise bei massiver Parallelschaltung von Leistungshalbleitern) und bei hohen Spannungen, gegen die die Diode kommutiert wird, auf.
  • Um Dioden mit weichem Schaltverhalten zu realisieren, wurde die Dicke der Dioden so ausgelegt, dass bei Maximalspannung die sich ausbildende Raumladungszone, ausgehend von dem pn-Übergang, der durch den p-dotierten Anodenbereich und das angrenzende niedrig n-dotierte Basisgebiet im Halbleitervolumen gebildet wird, nicht bis zum hoch n-dotierten Rückseitenemitter reicht. Dies zieht jedoch hohe Durchlassverluste und Schaltverluste nach sich, da die Gesamtverluste von Halbleiterbauteilen, insbesondere bipolaren Halbleiterbauteilen, etwa quadratisch mit der Dicke des niedrig dotierten Basisgebiets (Chipdicke) zunehmen. Ein weiches Schaltverhalten ist insbesondere für Hochvoltbauteile (mit einer Nennspannung von mehr als 150 V, insbesondere ab einer Nennspannung von etwa 500 V) schwierig zu realisieren, da zur Herstellung derartiger Bauelemente zumeist ein Grundmaterial verwendet wird, dessen Dotierung deutlich niedriger ist als zum Erreichen der geforderten Sperrspannung notwendig wäre. Die niedrige Dotierung des Grundmaterials dient zur Realisierung der Gleichspannung-Sperrstabilität des Halbleiterbauteils, die wiederum hinreichend niedrige Feldstärken an der Anode und im Bereich des Randabschlusses des Halbleiterbauteils notwendig macht. Die niedrige Grunddotierung bewirkt, dass sich die Raumladungszone sehr weit ausbreitet, was mit einer hohen Chipdicke des Halbleiterbauteils kompensiert werden muss, wenn sichergestellt werden soll, dass die Raumladungszone den Rückseitenemitter nicht erreicht.
  • Um die Chipdicken gering zu halten, wurde vorgeschlagen, im Halbleitervolumen des Halbleiterbauteils eine Feldstoppzone, d. h. eine Zone erhöhter Dotierung einzuführen, die beispielsweise stufenförmig ausgestaltet sein kann. In 1 ist ein entsprechender Dotierverlauf 1 mit einer stufenförmigen Feldstoppzone am Beispiel einer Diode gezeigt. Nachteilig hierbei ist, dass zur Erzeugung des stufenförmigen, inhomogenen Dotierverlaufs 1 schwierige und teure Prozesse notwendig sind: So ist zur Herstellung des Dotierverlaufs beispielsweise ein epitaktisches Verfahren notwendig (in 1 ist die hohe Dotierung des Trägersubstrats, auf der die Epitaxieschicht abgeschieden wird, nicht dargestellt). Alternativ kann ein Diffusionsprozess eingesetzt werden, der jedoch bei einer Prozesstemperatur von 1200 °C etwa 100 Stunden in An spruch nehmen würde und somit wenig praxistauglich ist. Ein Dotierverlauf 2, der durch einen derartigen Diffusionsprozess erzeugt werden kann, ist in 1 ebenfalls angedeutet.
    •
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauteil bereitzustellen, dessen Schaltverhalten möglichst weich ist und bei dem die Dicke der die Raumladungszone aufnehmenden Basis gleichzeitig möglichst gering ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Halbleiterbauteil gemäß den Patentansprüchen 1 bis 3 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Feldstoppzone innerhalb eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils gemäß Patentanspruch 11 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil weist einen ersten Anschlussbereich, einen zweiten Anschlussbereich, und ein zwischen erstem und zweitem Anschlussbereich angeordnetes Halbleitervolumen auf, wobei innerhalb des Halbleitervolumens in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs eine Feldstoppzone zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleitervolumen ausbildbaren Raumladungszone vorgesehen ist. Der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens ist so ausgestaltet, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einem zwischen erstem Anschlussbereich und Feldstoppzone vorgesehenen pn-Übergang, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs erst nahe der Grenzfläche der Feldstoppzone, die dem zweiten Anschlussbereich zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils entspricht, wobei der pn-Übergang der letzte pn-Übergang vor der Feldstopp zone ist, bezogen auf eine vom ersten Anschlussbereich zum zweiten Anschlussbereich weisende Richtung.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil lässt sich insbesondere als Diode oder als IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausführen. Eine erfindungsgemäße Diode weist einen ersten Anschlussbereich, einen zweiten Anschlussbereich, und ein zwischen erstem und zweitem Anschlussbereich angeordnetes Halbleitervolumen auf, wobei innerhalb des Halbleitervolumens in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs eine Feldstoppzone zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleitervolumen ausbildbaren Raumladungszone, und ein an den ersten Anschlussbereich angrenzender Anodenbereich vorgesehen ist. Der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens ist so ausgestaltet, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einer dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Grenzfläche des Anodenbereichs, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs erst nahe der Grenzfläche der Feldstoppzone, die dem zweiten Anschlussbereich zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils entspricht.
  • Der erfindungsgemäße IGBT weist einen ersten Anschlussbereich, einen zweiten Anschlussbereich, und ein zwischen erstem und zweitem Anschlussbereich angeordnetes Halbleitervolumen auf, wobei innerhalb des Halbleitervolumens in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs eine Feldstoppzone zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleitervolumen ausbildbaren Raumladungszone, und ein an den ersten Anschlussbereich angrenzendes Bodygebiet vorgesehen ist. Der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens ist so gewählt, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einer dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Grenzfläche des Bodygebiets, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs erst nahe der Grenzfläche der Feldstoppzone, die dem zweiten Anschlussbereich zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils entspricht.
  • Ist diese Bedingung erfüllt, so greift die Raumladungszone bei Anliegen einer Sperrspannung weit in das Halbleitervolumen hinein, wird jedoch mit steigender Sperrspannung zunehmend gebremst. Damit wird die räumliche Ausnutzung des Halbleitervolumens durch die Raumladungszone optimiert. Weiterhin ist durch die Erfüllung oben genannter Bedingungen garantiert, dass während des Schaltvorgangs das Erhöhen der Sperrspannung stets mit dem Ausräumen eines Ladungspakets vorhandener Überschwemmungsladung verbunden ist. Dies verhindert einen sprunghaften Anstieg der Spannung beim Schalten des Halbleiterbauteils und garantiert somit ein weiches Schaltverhalten.
  • Die Dicke der Feldstoppzone, die in der Regel schichtförmig ausgestaltet ist, sollte mehr als 5%, vorzugsweise zwischen 20% und 40% der Dicke des Halbleitervolumens betragen, d. h., das Profil der Feldstoppzone sollte tief auslaufend ausgestaltet sein (tief in das Halbleitervolumen hineinreichen). Der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf ist in einer bevorzugten Ausführungsform als kurvenförmiger Verlauf mit mehreren Maxima (Peaks) ausgelegt, wobei die Höhe der Peaks in Richtung des zweiten Anschlussbereichs hin zunehmen oder zumindest nicht wesentlich abnehmen sollte.
  • Die Feldstoppschicht kann direkt an den zweiten Anschlussbereich angrenzen, oder auch von diesem beabstandet sein.
  • Vorzugsweise beträgt die Dicke der Feldstoppzone maximal ein Drittel der Basisweite des Halbleitervolumens, wobei die Basisweite definiert ist als der Abstand zwischen dem letzten pn-Übergang vor der Feldstoppzone und der dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Grenzfläche der Feldstoppzone.
  • Wenn das Halbleiterbauteil als Diode ausgestaltet ist, so ist innerhalb des Halbleiterkörpers ein Kathodenbereich ausgebildet, der an den zweiten Anschlussbereich angrenzt. Wenn das Halbleiterbauteil als Diode ausgelegt ist, beträgt die Dotierkonzentration innerhalb der Feldstoppzone vorzugsweise das 10- bis 30-fache der Grunddotierung des Halbleitervolumens. Weiterhin beträgt die Durchbruchsladung für typische Grunddotierungen ca. 1,8·1012 Dotieratome/cm2.
  • Ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil als IGBT ausgestaltet, so ist innerhalb des Halbleiterbauteils ein Rückseitenemitter ausgebildet, der an den zweiten Anschlussbereich angrenzt.
  • Die Erfindung lässt sich prinzipiell auf alle Halbleiterbauteile anwenden, die eine Feldstoppzone aufweisen, z.B. Bipolartransistoren, GTOs(Gate-Turn-Off), MOS-Transistoren, etc..
  • Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone innerhalb eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils bereit. In diesem Verfahren wird das Halbleitervolumen mehreren Protonenbestrahlungen und wenigstens einem Temperschritt ausgesetzt, wobei die Beschleunigungsenergien und Protonendosen der jeweiligen Protonenbestrahlungen sowie die Temperatur des Temperschritts bzw. der Temperschritte so gewählt werden, dass sich der gewünschte Dotierstoff-Konzentrationsverlauf ergibt.
  • Vorzugsweise wird durch den zweiten Anschlussbereich (Rückseite) hindurchgestrahlt, d. h. bei einem Halbleiterbauteil mit vertikalem Aufbau durch die Halbleiterbauteil-Rückseite. Prinzipiell ist es auch möglich, durch die Halbleiterbauteil-Oberseite zu strahlen, d. h. durch den ersten Anschlussbereich hindurch. Hierbei wären jedoch höhere Bestrahlungsenergien erforderlich.
  • Wenn das Halbleiterbauteil als IGBT-Bauteil ausgelegt ist, beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform die höchste verwendete Energie der Protonen bei der Implantation mindestens 1 MeV, und die niedrigste verwendete Implantationsenergie maximal 500 keV. So ist es beispielsweise möglich, drei Protonenbestrahlungen des Halbleitervolumens auszuführen, die die folgenden Implantationsenergien aufweisen: 300 keV, 500 keV und 1 MeV. Alternativ können vier Protonenbestrahlungen des Halbleitervolumens ausgeführt werden, wobei die entsprechenden Energiedosen 300 keV, 500keV, 1 MeV und 1,25 MeV betragen.
  • Zwischen den Protonenbestrahlungen bzw. nach Protonenbestrahlungen werden Temperprozesse durchgeführt, die bei einer Temperatur von 350 bis 420 °C erfolgen. Alternativ können zwischen bzw. nach den Protonenbestrahlungen Temperprozesse bei Temperaturen von 420 bis 550 °C erfolgen.
  • Zur Erzeugung von tiefer im Halbleitervolumen liegenden Dotiergebieten (großer Abstand von dem zweiten Anschlussbereich) wird vorzugsweise eine Bestrahlungsdosis von etwa 1·1013 Protonen/cm2 gewählt, während zur Erzeugung von Dotiergebieten, die näher an der Oberfläche des Halbleitervolumens liegen (geringer Abstand zum zweiten Anschlussbereich), eine Bestrahlungsdosis von in etwa 5·1013 Protonen/cm2 gewählt wird. Die Summe aller Bestrahlungsdosen soll dabei 5·1013 Protonen/cm2 bis 50·1013 Protonen/cm2 betragen.
  • Wenn das Halbleiterbauteil als Diode ausgelegt werden soll, so betragen in einer bevorzugten Ausführungsform die Bestrahlungsdosen der einzelnen Protonenbestrahlungen 0,5·1013 bis 20·1013 Protonen/cm2. Die Summe aller Bestrahlungsdosen der einzelnen Protonenbestrahlungen sollte 5·1013 Protonen/cm2 bis 50·1013 Protonen/cm2 betragen. Zwischen den Protonenbestrahlungen bzw. nach den Protonenbestrahlungen können Temperprozesse durchgeführt werden, die bei einer Temperatur von 350 bis 550 °C erfolgen.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den Dotierstoff-Konzentrationsverlauf bei einer Diode mit 1200 V Nenn-Sperrspannung mit Feldstoppzone (Punch-Through-Ausführung).
  • 2 ein Beispiel eines Dotierstoff-Konzentrationsverlaufs einer Feldstoppschicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils.
  • 3a–3c das Schaltverhalten eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils im Vergleich zu einem Referenzbauteil am Beispiel einer Diode.
  • 4 eine Prinzipskizze des Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Diode.
  • 5 eine Prinzipskizze des Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen IGBTs.
  • Zunächst sei das Anwendungsbeispiel einer Diode diskutiert.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren der Feldstoppzone sieht in diesem Fall vor, den prinzipiell bekannten stufigen Feldstoppzonen-Dotierungsverlauf 1 aus 1 durch die dotierende Wirkung einer bzw. mehrerer Protonenbestrahlungen mit mindestens einem nachfolgenden Temperschritt bzw. zwischen den Bestrahlungen liegenden Temperschritten nachzubilden. Vorteil ist, dass bei Bestrahlung mit Protonen relativ große Tiefen mit niedrigeren Implantationsenergien als bei konventionellen Dotierstoffen erreicht werden können. Die Dotierung erfolgt zu einem überwiegenden Teil im so genannten End-of-Range-Bereich der Implantation und zu einem kleineren Teil im durchstrahlten Gebiet. Bei einer Implantation von der Rückseite kann z. B. mit 1,5 MeV Beschleunigungsspannung knapp 30 μm tief in Silizium implantiert werden. Durch Variation von Bestrahlungsenergie und -dosis lassen sich somit nahezu beliebige, ansteigende, abfallende, konstante oder auch Dotierstoffkonzentrationen erzeugen, die ein beziehungsweise mehrere Minima oder Maxima aufweisen. Zudem ist zum Aktivieren einer Protonendotierung lediglich ein Temperschritt bei 350°C ... 550°C erforderlich, während konventionelle Dotierungen bei mehr als 800°C ausgeheilt werden müssen.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn die Konzentration in der Feldstoppzone nicht zu hoch gewählt wird (z. B. maximaler Faktor 10 bis 30 Mal höher als die Grunddotierung) und bis kurz vor den Rückseitenemitter die integrale Dotierstoffdosis aus homogener Grunddotierung und Feldstopp knapp die Durch bruchsladung von etwa 1,8·1012 Dotierstoffatome/cm2 erreicht. Die integrale Dotierstoffdosis soll erst unmittelbar vor und am Rückseitenemitter die Durchbruchsladung überschreiten. Durch diese Wahl der Dotierstoffkonzentrationen bzw. des integralen Dotierstoffverlaufs greift die Raumladungszone möglichst weit, aber mit steigender Sperrspannung zunehmend gebremst, in den Halbleiter. Es muss also stets Überschwemmungsladung ausgeräumt werden. Solange eine Erhöhung der Sperrspannung um ΔU zwingend mit dem Ausräumen eines Ladungspakets ΔQ der Überschwemmungsladung verbunden ist, also das Ausräumen nicht abreißt, kann die Sperrspannung nicht sprunghaft ansteigen: Der Schaltverlauf bleibt "soft". Durch den gewählten Verlauf der Dotierung wird die Dicke der Diode möglichst effektiv für die Raumladungszone ausgenutzt, d. h., die Softness einer so dimensionierten Diode ist gleich gut wie die einer dickeren Diode ohne "tieferem" Feldstopp (d.h. weit in das Innere des Halbleitervolumens hineingelegter Feldstoppzone), während ihre Verluste gleichermaßen geringer sind. Mit anderen Worten: Es lassen sich mit der tiefreichenden Feldstoppdotierung Dioden mit gleicher oder verbesserter Softness bei reduzierter Dicke des n–-Basisgebiets herstellen.
  • 3a–3c zeigen das Schaltverhalten einer erfindungsgemäß hergestellten 1200 V-Diode mit 100A Nennstrom im Vergleich zu einer Referenzdiode, die keinen tief im Halbleitervolumen liegenden Protonenfeldstopp aufweist. Da das Schaltverhalten bei geringem Vorstrom kritischer ist, wurde hier eine Messung bei nur 10 % des Nennstroms und gleichzeitig relativ hoher Zwischenkreisspannung (800V) durchgeführt.
  • Es ist deutlich zu erkennen, dass der Rückstrom 4 des Referenzbauteils abreißt, während der Rückstrom des erfindungsge mäßen Bauelements 5 einen Rückgang mit moderatem dI/dT (Stromänderung pro Zeitänderung aufweist. Ein besonders guter Indikator für einen Stromabriss ist die Gatespannung des Hilfsschalters, da sie durch den Stromabriss der Diode massiv gestört wird: die Gatespannung der Referenz (Kurve 6) oszilliert deutlich stärker als die der erfindungsgemäßen Diode (Kurve 7). Hier wird ein möglicher schädlicher Einfluss auf die benachbarte Bauelemente besonders deutlich, weil die Gatespannung durch die Oszillationen der Referenzdiode kurzzeitig sogar die Einschaltschwelle des Hilfsschalters übersteigt, dieser jedoch in diesem Fall zu träge ist, um sofort zu reagieren – und evtl. zerstört wird. Mit den Bezugsziffern 8 und 9 sind die Substratspannungsverläufe von erfindungsgemäßer Diode und Referenzdiode gekennzeichnet.
  • Die zur Realisierung des vorgeschlagenen Konzepts geeigneten Protonendosen der Einzelimplantationen bewegen sich typischerweise im Bereich 0,5...50·1013 Protonen/cm2, die Summendosis aller Implantationen bewegt sich typischerweise im Bereich 5...50·1013 Protonen/cm2. Die Temperungen sollen bei Temperaturen, die im Bereich zwischen 350 °C und 550 °C liegen, über einige 10 Minuten bis einige Stunden durchgeführt werden, wobei mit zunehmendem Temperaturbudget eine gezielte Verbreiterung der realisierten Donatorpeaks realisiert werden kann und zudem mit zunehmender Temperatur oberhalb von ca. 400°C die maximale Dotierstoffkonzentration im End-of-Range-Bereich der Implantation abgesenkt wird. Gleichzeitig erwirkt man auch eine Anhebung der Trägerlebensdauer im durchstrahlten Bereich durch verstärkte Ausheilung der Implantationsdefekte.
  • Unmittelbar vor dem Emitter kann vorzugsweise die höchste Dosis implantiert werden, die dem Sicherstellen der Sperrfähig keit dient. Durch die Strahlenschäden der vorangegangenen Implantationen mit höherer Energie ist hier sogar mit einer lateralen Ausbreitung der wasserstoffinduzierten Donatoren zu rechnen. Somit können selbst Partikel, die die flache Protonen-Implantation maskiert haben, unterdiffundiert werden und somit Sperrströme gesenkt bzw. die Ausbeute in einem Sperrstromtest erhöht werden.
  • Dabei kann die flachste Implantation entweder direkt an den Emitter angrenzen; sie kann aber auch von ihm beabstandet liegen. So kann die Tiefe des Implantationsmaximums dieser flachsten Implantation durchaus bis zu etwa ein Drittel der Basisweite des Chips vom Rückseitenemitter entfernt sein, um zwischen diesem Dotierungspeak und dem Rückseitenemitter ein Reservoir mit höherer Ladungsträgerüberschwemmung vor dem Felddurchgriff zu schützen.
  • Erfindungsgemäß wird also bei einer Diode eine abgestufte Feldstoppzone erzeugt, die ein sanftes Abschalten ermöglicht. Wesentlich ist, dass hierfür mindestens 2 Protonenenergien erforderlich sind und die integrale Dotierstoffdosis erst nahe am kathodenseitigen Ende der Feldstoppzone die Durchbruchsladung erreicht.
  • Nun sei das Anwendungsbeispiel eines IGBTs diskutiert. Zunächst soll auf den entsprechenden Stand der Technik eingegangen werden.
  • Es soll eine Feldstoppzone in IGBTs realisiert werden, die einerseits eine ausreichende Sperrfähigkeit der Bauelemente garantiert, andererseits aber auch zufrieden stellende dynamische Eigenschaften – wie z. B. ein ausreichend weiches Abschaltverhalten und eine hohe Kurzschlussbelastbarkeit – er möglicht. Insbesondere soll diese Feldstoppzone auch bei Temperaturen, die unterhalb von 550 °C liegen, realisiert werden, um die Feldstoppzone erst in der weitgehend fertig prozessierten Siliziumscheibe zu erzeugen. Dies erleichtert die Verwendung relativ dünner Siliziumscheiben, was eine Verringerung der Gesamtverluste bei IGBTs mit Sperrspannungen < 1800 V mit sich bringt.
  • Heute werden Feldstoppzonen vor allem mittels Implantationsverfahren und nachfolgenden Diffusionsschritten hergestellt, wobei die Prozesstemperaturen allerdings relativ hoch sind. Im Falle einer Phosphordiffusion benötigt man Temperaturen > 1100 °C, um eine ausreichend tiefe Feldstoppzone mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu erzeugen. Selbst bei einer direkten Hochenergie-Implantation in die entsprechende Tiefe werden noch Temperaturen oberhalb 700 °C benötigt, um die Strahlenschäden auszuheilen und die Dotierung zu aktivieren.
  • Es wurde bereits vorgeschlagen (Dokument US 6,482,681 B1 ), eine solche Stoppzone mit einer oder mehreren Protonenbestrahlungsschritten herzustellen, wobei bei der Anwendung von mehreren Protonenbestrahlungen Energien, die zwischen 100 und 500 keV liegen, verwendet werden. Protonenbestrahlungen besitzen nämlich die Eigenschaft, insbesondere im so genannten „End of Range"-Bereich Donatoren zu erzeugen, und zwar um so mehr, je höher die Bestrahlungsdosis ist.
  • Entsprechende Experimente haben ergeben, dass für die gleichzeitige Realisierung eines weichen Abschaltverhaltens und einer ausreichenden Kurzschlussfestigkeit ein tief auslaufendes Dotierungsprofil für die Feldstoppzone vonnöten ist, ähnlich wie es z. B. mit einer Phosphordiffusion bei wesentlich höhe ren Temperaturen in Kombination mit längeren Diffusionszeiten realisiert werden kann.
  • Deshalb ist es bei Einsatz einer Protonenbestrahlung zur Erzeugung dieser (vorzugsweise) n-dotierten Feldstoppzone von der Kollektorseite her unbedingt erforderlich, eine Mehrfachimplantation zu verwenden, bei der die maximale Energie mindestens 1 MeV beträgt. Vorteilhaft wäre in diesem Zusammenhang z. B. eine dreifache (a) oder vierfache (b) Protonenbestrahlung mit folgenden Energiestaffelungen:
    • a) 300 keV, 500 keV, 1 MeV;
    • b) 300 keV, 500 keV, 1 MeV, 1,25MeV.
  • Wird nämlich die Maximalenergie 500 keV gewählt, ist weder die Weichheit des Abschaltvermögens noch die geforderte Kurzschlussfestigkeit gegeben.
  • Typische Ausheiltemperaturen für diese Bestrahlung liegen im Bereich zwischen 350 und 420 °C. Wird die Ausheiltemperatur dagegen im Bereich zwischen 420 und 550 °C gewählt, verbreitert sich der durch die Protonenbestrahlung verursachte (vorzugsweise) n-dotierte Peak erheblich, so dass die Zahl der Bestrahlungsschritte eventuell reduziert werden kann. Ein erwünschter Nebeneffekt dieser Vorgehensweise kann darin bestehen, die Trägerlebensdauer im durchstrahlten Bereich durch die zunehmende Ausheilung der bestrahlungsinduzierten Defekte im Silizium, die die Trägerlebensdauer absenken, anzuheben.
  • Man kann sich auch vorstellen, den am tiefsten unter der kollektorseitigen Oberfläche liegenden Peak durch eine Protonenbestrahlung von der Vorderseite des IGBTs her zu realisieren, vorzugsweise bevor die Siliziumscheibe durch Dünnschleifen auf ihre endgültige Dicke gebracht wird. Eventuell kann man auch den zweittiefsten Peak auf diese Weise realisieren. Hier bietet sich eine gezielte Verbreiterung des Peaks bzw. der Peaks bei Temperaturen, die zwischen 400 und 550 °C liegen, an. Vorderseitenprozesse, deren zulässige Maximaltemperatur unter dieser Ausheiltemperatur liegt, können dann nach der Protonenbestrahlung und dieser Temperung durchgeführt werden. Die hierfür erforderlichen Bestrahlungsenergien liegen jedoch deutlich höher, und zwar um so höher, je dicker die Siliziumscheibe ist, d. h., je höher die benötigte Sperrfähigkeit der Bauelemente ist.
  • Die Wahl der Bestrahlungsdosen sollte so erfolgen, dass die tiefliegenden Peaks mit einer eher geringen Dosis, und zwar typischerweise im Bereich zwischen 1·1013 und 7·1013 Protonen cm2 erzeugt werden sollten, während insbesondere zur Erzeugung des oder der beiden dicht unterhalb der Scheibenoberfläche (bezüglich der Bauteilrückseite) liegenden Peaks eine hohe Dosis oberhalb von etwa 5·1013 Protonen/cm2 eingesetzt werden sollte, um ausreichend viel Donatoren zu erzeugen, so dass die Durchbruchsladung überschritten wird und die Sperrfähigkeit der Bauelemente gewährleistet wird. Es ist hierbei zu beachten, dass nur ein geringer Prozentsatz (etwa 1 bis 2 %) der implantierten Wasserstoffdosis in Donatoren umgewandelt wird.
  • Die Bestrahlung mit mehreren, vor allem auch höheren Energien hat den Vorteil, dass unterhalb von Partikeln, die sich während der Protonenbestrahlung üblicherweise auf der Scheibenoberfläche befinden, auf jeden Fall auch ausreichend (durch die Bestrahlung induzierte) Defekte vorhanden sind, die in Kombination mit einer lateralen Diffusion der implantierten Wasserstoffatome auch in dem durch die unerwünschten Partikel abgeschatteten Bereich ausreichend Donatoren zur Gewährleistung der Sperrfähigkeit des IGBTs zur Verfügung stellen. Zur Ausbildung dieser Donatoren sind nämlich sowohl die bestrahlungsbedingten Defekte (insbesondere Leerstellen) als auch die implantierten Wasserstoffatome erforderlich. Zur weiteren Absicherung der Sperrfähigkeit kann auch noch eine zusätzliche Implantation von n-dotierenden Elementen, wie z.B. Phosphor-, Schwefel- oder Selenatomen erfolgen, deren – wenn auch bei den verwendeten Temperaturen geringfügige – seitliche Diffusion die negativen Auswirkungen der oben beschriebenen Abschattungseffekte sicher ausschließt.
  • Erfindungsgemäß wird bei IGBTs also eine Mehrfachimplantation mit Protonen durchgeführt, wobei die Bestrahlungsenergien so gewählt werden, dass sich ein relativ tiefes (ein sich tief in das Halbleiterprofil hinein erstreckendes) Dotierungsprofil der so gebildeten Feldstoppzone ergibt, was wiederum zu sehr guten elektrischen Eigenschaften der bestrahlten IGBTs führt. Die höchste verwendete Implantations-Energie sollte hierbei mindestens 1 MeV betragen, die niedrigste maximal 500 keV.
  • In 2 ist ein Beispiel eines Dotierstoff-Konzentrationsverlaufs 3 einer Feldstoppschicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils gezeigt, das gleichermaßen für eine Diode oder einen IGBT verwendet werden kann. Zu sehen sind mehrere Maxima/Minima, wobei die Höhe der Maxima in Richtung des zweiten Anschlussbereichs hin zunimmt.
  • In 4 ist eine Prinzipskizze des Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Diode gezeigt. Eine Diode 10 weist einen ersten Anschlussbereich 11 (vorzugsweise Metall) und einen zweiten Anschlussbereich 12 (vorzugsweise Metall) auf.
  • Zwischen dem ersten Anschlussbereich 11 und einen zweiten Anschlussbereich 12 ist ein Halbleitervolumen 13 angeordnet. An den ersten Anschlussbereich 11 grenzt ein Anodenbereich 15 (Halbleitergebiet), und an den zweiten Anschlussbereich 12 grenzt ein Kathodenbereich 16 (Halbleitergebiet) an.
  • Vorzugsweise beträgt die Dicke D1 der Feldstoppzone 14 maximal ein Drittel der Basisweite B1 des Halbleitervolumens, wobei die Basisweite definiert ist als der Abstand zwischen dem letzten pn-Übergang 17 vor der Feldstoppzone 14 (bezogen auf eine vom ersten Anschlussbereich 11 zum zweiten Anschlussbereich 12 weisenden Richtung) und der dem zweiten Anschlussbereich 12 zugewandten Grenzfläche 18 der Feldstoppzone 14. Zur Erzeugung einer Feldstoppzone 14 der Dicke D1 innerhalb des Halbleitervolumens 13 der Dicke D2 wird die Rückseite der Diode 10, d.h. der zweite Anschlussbereich 12 mit Protonen unter Verwendung mehrerer Implantationsenergien durchstrahlt, wobei prinzipiell auch der erste Anschlussbereich 11 durchstrahlt werden könnte. Damit ergibt das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen 13, ausgehend vom einer dem zweiten Anschlussbereich 12 zugewandten Grenzfläche 17 (pn-Übergang) des Anodenbereichs 15, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs 12 erst nahe der Grenzfläche 18 der Feldstoppzone 14, die dem zweiten Anschlussbereich 12 zugewandt ist, eine Ladungsmenge, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils 10 entspricht.
  • In 5 ist eine Prinzipskizze des Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen IGBT gezeigt. Eine IGBT 20 weist einen ersten Anschlussbereich 11 (vorzugsweise Metall) und einen zweiten Anschlussbereich 12 (vorzugsweise Metall) auf. Zwischen dem ersten Anschlussbereich 11 und einen zweiten Anschlussbereich 12 ist ein Halbleitervolumen 13 angeordnet. An den ersten Anschlussbereich 11 grenzt ein Zellenbereich 21 (Halbleitergebiet), und an den zweiten Anschlussbereich 12 grenzt ein Rückseitenemittergebiet 22 (Halbleitergebiet) an. Der Zellenbereich 21 weist in bekannter Weise Sourcegebiete 23, Bodygebiete 24, ein Gate 25 und eine Isolationsschicht 26 auf.
  • Zur Erzeugung einer Feldstoppzone 14 der Dicke D1 innerhalb des Halbleitervolumens 13 der Dicke D2 wird die Rückseite des IGBTs 20, d.h. der zweite Anschlussbereich 12 mit Protonen unter Verwendung mehrerer Implantationsenergien durchstrahlt, wobei prinzipiell auch der erste Anschlussbereich 11 durchstrahlt werden könnte. Damit ergibt das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen 13, ausgehend vom einer dem zweiten Anschlussbereich zugewandten Grenzfläche 27 (pn-Übergang) des Zellenbereichs 21 (genauer gesagt der Bodygebiete 24), in Richtung des zweiten Anschlussbereichs 12 erst nahe der Grenzfläche 28 der Feldstoppzone 14, die dem zweiten Anschlussbereich 12 zugewandt ist, eine Ladungsmenge, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils 20 entspricht.
  • Die bei Protonenbestrahlung erreichten Eindringtiefen der Protonen sollten so in Relation zueinander stehen, dass die zweittiefste Eindringtiefe gegenüber der tiefsten Eindringtiefe einen Abstand von 30% bis 60% des Wertes der maximalen Eindringtiefe aufweist. Damit kann eine besonders gute Softness beim Schalten der Halbleiterbauteile erzielt werden.
    • 1
    Dotierverlauf
    2
    Dotierverlauf
    3
    Dotierstoffkonzentrationsverlauf
    4–9
    Kurve
    10
    Diode
    11
    erster Anschlussbereich
    12
    zweiter Anschlussbereich
    13
    Halbleitervolumen
    14
    Feldstoppzone
    D1, D2
    Dicke
    15
    Anodenbereich
    16
    Katodenbereich
    17
    Grenzfläche des Anodenbereichs
    18
    Grenzfläche der Feldstoppzone
    20
    IGBT
    21
    Zellenbereich
    22
    Rückseitenemitter
    23
    Sourcegebiet
    24
    Bodygebiet
    25
    Gateelektrode
    26
    Isolationsschicht
    27
    Grenzfläche des Bodygebiets
    28
    Grenzfläche der Feldstoppzone
    B1
    Weite des Basisgebiets

Claims (20)

  1. Halbleiterbauteil (10), mit: – einem ersten Anschlussbereich (11), – einem zweiten Anschlussbereich (12), und – einem zwischen ersten und zweiten Anschlussbereich (11, 12) angeordneten Halbleitervolumen (13), wobei innerhalb des Halbleitervolumens (13) in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs (12) eine Feldstoppzone (14) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleitervolumen (13) ausbildbaren Raumladungszone vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens (14) so ausgestaltet ist, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einem zwischen erstem Anschlussbereich und Feldstoppzone vorgesehenen pn-Übergang, in Richtung des zweiten Anschlussbereichs (12) erst nahe der Grenzfläche (18) der Feldstoppzone (14), die dem zweiten Anschlussbereich (12) zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils (10) entspricht, wobei der pn-Übergang der letzte pn-Übergang vor der Feldstoppzone ist, bezogen auf eine vom ersten Anschlussbereich zum zweiten Anschlussbereich weisende Richtung.
  2. Diode (10), mit: – einem ersten Anschlussbereich (11), – einem zweiten Anschlussbereich (12), und – einem zwischen ersten und zweiten Anschlussbereich (11, 12) angeordneten Halbleitervolumen (13), wobei innerhalb des Halbleitervolumens (13) in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs (12) beziehungsweise daran angrenzend eine Feldstoppzone (14) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleiter volumen (13) ausbildbaren Raumladungszone, und ein an den ersten Anschlussbereich (11) angrenzender Anodenbereich (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens (14) so ausgestaltet ist, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einer dem zweiten Anschlussbereich (12) zugewandten Grenzfläche (16) des Anodenbereichs (15), in Richtung des zweiten Anschlussbereichs (12) erst nahe der Grenzfläche (18) der Feldstoppzone (14), die dem zweiten Anschlussbereich (12) zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils (10) entspricht.
  3. IGBT (20), mit: – einem ersten Anschlussbereich (11), – einem zweiten Anschlussbereich (12), und – einem zwischen ersten und zweiten Anschlussbereich (11, 12) angeordneten Halbleitervolumen (13), wobei innerhalb des Halbleitervolumens (13) in der Nähe des zweiten Anschlussbereichs (12) beziehungsweise daran angrenzend eine Feldstoppzone (14) zur räumlichen Begrenzung einer in dem Halbleitervolumen (13) ausbildbaren Raumladungszone, und ein an den ersten Anschlussbereich (11) angrenzendes Bodygebiet (24) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb des Halbleitervolumens (14) so ausgestaltet ist, dass das Integral der ionisierten Dotierstoffladung über das Halbleitervolumen, ausgehend von einer dem zweiten Anschlussbereich (12) zugewandten Grenzfläche (27) des Bodygebiets (24), in Richtung des zweiten Anschlussbereichs (12) erst nahe der Grenz fläche (28) der Feldstoppzone (14), die dem zweiten Anschlussbereich (12) zugewandt ist, eine Ladungsmenge erreicht, die der Durchbruchsladung des Halbleiterbauteils (10) entspricht.
  4. Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D1) der Feldstoppzone (14) mehr als 5 % der Dicke (D2) des Halbleitervolumens beträgt.
  5. Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D1) der Feldstoppzone (14) zwischen 25 % und 40 % der Dicke (D2) des Halbleitervolumens beträgt.
  6. Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierstoff-Konzentrationsverlauf innerhalb der Feldstoppzone (14) mehrere Maxima aufweist.
  7. Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D1) der Feldstoppzone (14) maximal ein Drittel der Basisweite (B1) des Halbleitervolumens beträgt, wobei die Basisweite definiert ist als der Abstand zwischen dem letzten pn-Übergang (17, 27) vor der Feldstoppzone (14) und der dem zweiten Anschlussbereich (12) zugewandten Grenzfläche 18, 28) der Feldstoppzone (14).
  8. Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (13) eine Diode ist, wobei innerhalb des Halbleitervolumens ein Kathodenbereich (16) vorgesehen ist, der an den zweiten Anschlussbereich (12) angrenzt.
  9. Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierkonzentrationen innerhalb der Feldstoppzone (14) das 10- bis 30-fache der Grunddotierung des Halbleitervolumens (13) betragen.
  10. Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (10) ein IGBT-Bauteil ist, wobei innerhalb des Halbleitervolumens ein Rückseitenemitter (22) vorgesehen ist, der an den zweiten Anschlussbereich (12) angrenzt.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Feldstoppzone (14) innerhalb eines Halbleiterbauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitervolumen (13) mehreren Protonenbestrahlungen und wenigstens einem Temperschritt ausgesetzt wird, wobei die Implantationsenergien und Protonendosen der jeweiligen Protonenbestrahlungen sowie die Temperatur des wenigstens einen Temperschritts so gewählt werden, dass sich der gewünschte Dotierstoff-Konzentrationsverlauf ergibt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil ein IGBT-Bauteil ist, wobei die höchste verwendete Implantationsenergie mindestens 1 MeV, und die niedrigste Implantationsenergie Energiedosis maximal 500 keV beträgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass vier Protonenbestrahlungen des Halbleitervolumens (13) bei folgenden Implantationsenergien erfolgen: 300 keV, 500 keV, und 1 MeV.
  14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass fünf Protonenbestrahlungen des Halbleitervolumens (13) bei folgenden Implantationsenergien erfolgen: 300 keV, 500 keV, 1 MeV und 1,25 MeV.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Protonenbestrahlungen beziehungsweise nach den Protonenbestrahlungen Temperprozesse durchgeführt werden, die bei einer Temperatur von 350 bis 550 °C erfolgen.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von tiefer im Halbleitervolumen (13) liegenden Dotiergebieten eine Bestrahlungsdosis von in etwa 1·1013 Protonen/cm2 gewählt wird, während zur Erzeugung von Dotiergebieten, die näher an der Oberfläche des Halbleitervolumens (13) liegen, eine Bestrahlungsdosis von in etwa 7·1013 Protonen/cm2 gewählt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil eine Diode (10) ist, wobei die Bestrahlungsdosen der einzelnen Protonenbestrahlungen 0,5·1013 bis 20·1013 Protonen/cm2 betragen.
  18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil eine Diode (10) ist, wobei die Summe aller Bestrahlungsdosen der einzelnen Protonenbestrahlungen 5·1013 Protonen/cm2 bis 50·1013 Protonen/cm2 beträgt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Protonenbestrahlungen beziehungsweise nach den Protonenbestrahlungen Temperprozesse durchgeführt werden, die bei einer Temperatur von 350 bis 550 °C erfolgen.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Protonenbestrahlung erreichten Eindringtiefen der Protonen so in Relation zueinander stehen, dass die zweittiefste Eindringtiefe gegenüber der tiefsten Eindringtiefe einen Abstand von 30% bis 60% des Wertes der maximalen Eindringtiefe aufweist.
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