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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der
Ladungsträgerlebensdauer
in einem Halbleiterkörper,
insbesondere in einem sich an eine Oberfläche des Halbleiterkörpers anschließenden Bereich.
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Die
gezielte Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer stellt einen
wesentlichen Aspekt bei der Herstellung von Leistungsbauelementen,
wie beispielsweise Thyristoren, Dioden, MOSFET oder IGBT dar.
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Zur
Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer
ist es bekannt, sogenannte leichte Ionen, wie beispielsweise Heliumionen,
oder auch Protonen oder Elektronen in den Halbleiterkörper zu
implantieren. Eine Implantation von Elektronen oder Protonen ist
beispielsweise in der Veröffentlichung
DE 39 13 123 A1 beschrieben.
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Die
in den Halbleiterkörper
implantierten bzw. eingestrahlten Teilchen erzeugen in dem Halbleiterkörper sogenannte
Primärdefekte.
Wesentliche Primärdefekte
sind dabei Leerstellen in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers und
Zwischengitteratome in dem Kristallgitter. Die Leerstellen besitzen
eine hohe Mobilität
und bilden bei Ausheilprozessen, bei denen der Halbleiterkörper üblicherweise
auf eine Temperatur zwischen 200°C
und 250°C
aufgeheizt wird, sogenannte Doppelleerstellen oder in Verbindung
mit unvermeidlich vorhandenem Sauerstoff Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe.
Diese Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe bilden Rekombinationszentren
für die
freien Ladungsträger und
beeinflussen damit die Ladungsträgerlebensdauer.
Die Ladungsträgerlebensdauer
ist dabei um so geringer, je höher
die Konzentration dieser als Re kombinationszentren dienenden Defekte
in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers ist.
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Während Ionen
aufgrund ihrer geringeren Eindringtiefe in den Halbleiterkörper im
Wesentlichen nur für
die Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer
in einem oberflächennahen
Bereich des Halbleiterkörpers
geeignet sind, eignet sich eine Elektronenbestrahlung in Verbindung
mit einem Temperaturprozess zur homogenen Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer
in einem Halbleiterkörper.
Voraussetzung ist, dass die Elektronen mit einer entsprechend hohen
Energie, die über
270 keV liegen muss, in den Halbleiterkörper eingestrahlt werden.
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Für verschiedene
Leistungsbauelemente ist ein Profil der Ladungsträgerlebensdauer
wünschenswert,
bei dem die Ladungsträgerlebensdauer
in Bauelementbereichen, die in einer vertikalen Richtung beabstandet
zu einer Oberfläche
angeordnet sind, abgesenkt ist, und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer
in einem oberflächennahen
Bereich höher
als in diesen zur Oberfläche
beabstandeten Bereichen ist.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einstellung
der Ladungsträgerlebensdauer
in einem Halbleiterkörper
zur Verfügung
zu stellen, durch welches ein Lebensdauerprofil mit einer höheren Lebensdauer
in oberflächennahen
Bereichen und einer im Vergleich dazu niedrigeren Lebensdauer in
beabstandet zu der Oberfläche
angeordneten Bereichen erreicht wird.
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Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem Verfahren zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleiterkörper, der
zwei einander abgewandte Oberflächen
aufweist, ist vorgesehen, den Halbleiterkörper über eine der Oberflächen mit
Teilchen zu bestrahlen, so dass Defekte in dem Halbleiterkörper erzeugt
werden.
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Die
Defekte, die durch Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Teilchen erzeugt
werden, wirken unmittelbar oder nach Durchführung einer Temperaturbehandlung,
als Rekombinationszentren und senken somit die Ladungsträgerlebensdauer
in solchen Halbleiterbereichen, in welchen diese Defekte vorhanden
sind, ab. Durch die Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Laserlicht werden
gezielt oberflächennahe
Bereiche des Halbleiterkörpers
auf solche Temperaturen aufgeheizt, bei welchen die durch die Teilchenbestrahlung
erzeugten Defekte ausheilen, so dass die Ladungsträgerlebensdauer
in diesen oberflächennahen
Bereichen wieder angehoben wird. Die Temperaturen, auf welche die
oberflächennahen
Bereiche des Halbleiterkörpers
durch die Bestrahlung mit Laserlicht aufgeheizt werden, um die dort
vorhandenen Defekte auszuheilen und die Ladungsträgerlebensdauer
anzuheben, liegen oberhalb von 350°C, vorzugsweise oberhalb von
400°C.
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Die
Wellenlänge
des verwendeten Laserlichts muss so gewählt sein, dass das Laserlicht
zu einer Erwärmung
des Halbleiterkörpers
in den Bereichen führt,
die aufgeheizt werden sollen. Die Wellenlänge muss also kurz genug sein,
damit das Licht im Halbleiter absorbiert wird. Für Silizium als Halbleitermaterial
sollte die Wellenlänge
des verwendeten Laserlichts maximal etwa 1,1μm betragen.
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Um
den Halbleiterkörper
aufzuheizen besteht auch die Möglichkeit,
eine das Laserlicht absorbierende Schicht auf die Oberfläche des
Halbleiterkörpers
aufzubringen. Diese Schicht erwärmt
sich bei Bestrahlung mit Laserlicht und erwärmt dadurch den Halbleiterkörper. Die
Wellenlänge
des Laserlichts ist in diesem Fall an die Absorptionseigenschaften
der verwendeten Schicht anzupassen.
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Um
den Halbleiterkörper
lokal auf eine gewünschte
Temperatur zu erwärmen,
ist eine bestimmte Bestrahlungsenergie pro Fläche erforderlich. Die Dauer
der Bestrahlung muss dabei an diese Bestrahlungsenergie pro Fläche angepasst
werden. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass die absorbierte Energie durch die Wärmekapazität des Materials zu einem verzögerten Temperaturanstieg
im Halbleiter führt,
so dass die Bestrahlung gegebenenfalls bereits zu beenden ist, noch
bevor die gewünschte
Temperatur in den Bauelement entgültig erreicht ist.
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Ein
Bestrahlungspuls bzw. ein Bestrahlungsschritt darf insbesondere
nicht zu lange dauern, weil sonst durch Wärmeleitung die Bereiche des
Halbleiters, welche nicht stark erwärmt werden sollen, unzulässig heiß werden
und es dort zu einem unerwünschten
Ausheilen der Defekte und somit zu einem Anstieg der Ladungsträgerlebensdauer
kommt.
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Reicht
die Dauer eines Pulses bzw. Bestrahlungsschritts nicht aus, um die
Ladungsträgerlebensdauer
in dem mittels Laserlichtbestrahlung aufgeheizten Bereich auf das
gewünschte
höhere
Niveau zu bringen, so kann die Laserbelichtung nach einer Wartezeit,
während
der der Halbleiterkörper
oder der lokale Halbleiterbereich abkühlt, wiederholt werden. Es
ist auch möglich,
den mit Laserlicht zu behandelnden Bereich mit einem Laserlichtstrahl,
dessen Fläche
deutlich kleiner ist als die zu bestrahlende Fläche, mehrmals zu "rastern" bzw. "zu beschreiben".
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Der
Anteil der zunächst
durch Teilchenbestrahlung erzeugten Defekte in dem Halbleiterkörper, der
durch die nachfolgende Laserbestrahlung ausgeheilt wird, ist unter
anderem abhängig
von der Dauer der Laserbestrahlung. Hierbei gilt, dass der Anteil
der ausgeheilten Defekte umso größer ist,
umso länger die
Bestrahlung mit Laserlicht andauert.
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An
die Bestrahlung des Halbleiterkörpers
mit Teilchen schließt
sich vor der Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Laserlicht vorzugsweise
eine Temperaturbehandlung an, die dazu dient, die durch die Teilchenbestrahlung
erzeugten Primärdefekte,
wie beispielsweise Leerstellen und Zwischengitteratome, auszuheilen
und Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe, die als Rekombinationszentren
dienen, zu erzeugen.
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Zur
Erzeugung der Primärdefekte
eignen sich insbesondere Elektronen, die mit Energien größer als
270 keV in den Halbleiterkörper
eingestrahlt werden. Vorzugsweise werden die Elektronen mit einer
Energie im Bereich von 1 MeV oder höher in den Halbleiterkörper eingestrahlt.
Aufgrund der großen Eindringtiefe
von Elektronen, die mit derart hoher Energie in den Halbleiterkörper eingestrahlt
werden, lassen sich dadurch Primärdefekte
erzeugen, die nahezu homogen in der Bestrahlungsrichtung über den Halbleiterkörper verteilt
sind. Die Eindringtiefe von Elektronen, die mit einer Energie von
1 MeV in Silizium eingestrahlt werden, beträgt rund 2,5 mm, für höhere Bestrahlungsenergien
entsprechend mehr. Die Ladungsträgerlebensdauer
lässt sich
dadurch nahezu homogen in dem gesamten Halbleiterkörper absenken.
Die nachfolgende Anhebung der Ladungsträgerlebensdauer in oberflächennahen
Bereichen kann dabei im Bereich der Oberfläche erfolgen, über welche
die Elektronen in den Halbleiterkörper eingestrahlt wurden. Die
Anhebung der Ladungsträgerlebensdauer
durch Laserlichtbestrahlung kann jedoch auch im Bereich der gegenüberliegenden
Oberfläche erfolgen.
Selbstverständlich
besteht auch die Möglichkeit,
die Ladungsträgerlebensdauer
durch Laserlichtbestrahlung im Bereich beider sich gegenüberliegender
Oberflächen
des Halbleiterkörpers
wieder anzuheben.
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Soll
die Ladungsträgerlebensdauer
in einem größeren Tiefenbereich
des Halbleiters angehoben werden, so kann durch beidseitige Bestrahlung
die erforderliche Wärmediffusion
zum Aufheizen des Halbleitervolumens reduziert und somit eine schärfere laterale,
eventuell an beiden Oberflächen
unterschiedli che Abgrenzung zwischen Bereichen hoher und niedriger
Ladungsträgerlebensdauer
erreicht werden.
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Sowohl
die Bestrahlung des Halbleiterkörpers
mit Teilchen als auch die Aufheizung oberflächennaher Bereiche des Halbleiterkörpers unter
Verwendung von Laserlicht kann maskiert unter Verwendung geeigneter
Masken erfolgen. Durch die maskierte Teilchenbestrahlung kann erreicht
werden, dass Defekte nur in bestimmten, durch die Maske vorgegebenen
Bereichen des Halbleiterkörpers
erzeugt werden. Durch die maskierte Bestrahlung der Oberfläche des
Halbleiterkörpers
mit Laserlicht kann erreicht werden, dass nur in bestimmten, durch
die Maske vorgegebenen Bereichen des Halbleiterkörpers die Ladungsträgerlebensdauer
wieder angehoben wird. Auf diese Weise lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
das Profil der Ladungsträgerlebensdauer
sowohl in lateraler als auch in vertikaler Richtung in dem Halbleiterkörper einstellen.
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Die
Maske kann in Kontakt mit dem Halbleiterkörper oder beabstandet zu diesem
angeordnet sein. Bei einer Maske, die in Kontakt mit der Halbleiteroberfläche steht,
kann diese reflektierend oder absorbierend für das Laserlicht ausgeführt werden.
Reflektiert die Maske das Licht und/oder ist sie beabstandet von
der Halbleiteroberfläche
angeordnet, so kommt es in den maskierten Bereichen zu keiner Einkopplung
des Lichts und folglich dort zu keiner Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer.
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Eine
aufliegende absorbierende Maske wird vorzugsweise dann verwendet,
wenn die Wellenlänge
des verwendeten Laserlichts zu lang ist, um im Halbleiter absorbiert
zu werden, wenn die Wellenlänge
bei Silizium als Halbleitermaterial also länger als etwa 1,2μm ist. In
der Maske erfolgt dann eine Umwandlung der Strahlungsenergie in
Wärme,
welche lokal in den Halbleiterkörper
eindiffundiert und die Ladungsträgerlebensdauer
lokal erhöht.
Eine reflektierende oder beabstandete Maske von der Halbleiteroberfläche erfordert
die Absorption des Laser lichts und seine Umwandlung in Wärme im Halbleiterkörper selbst
und eine maximale Lichtwellenlänge,
welche an das Halbleitermaterial angepasst ist, und die für Silizium
als Halbleitermaterial also maximal etwa 1,1μm beträgt. Eine Erwärmung erfolgt
bei einer solchen Maske in den Bereichen des Halbleiterkörpers, die
durch die Maske freigelassen sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Halbleiterkörper im
Querschnitt während
verschiedener Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 veranschaulicht
das vertikale Profil der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleiterkörper für eine erste
Alternative des Verfahrens, bei welchem nur eine Oberfläche des
Halbleiterkörpers
mit Laserlicht bestrahlt wird.
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3 zeigt
das vertikale Profil der Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleiterkörper für eine zweite
Alternative des Verfahrens, bei dem beide Oberflächen des Halbleiterkörpers mit
Laserlicht bestrahlt werden.
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4 zeigt
schematisch ein Bauelement im Querschnitt, bei dem wasserstoffinduzierte
Donatoren durch Protonenbestrahlung erzeugt sind und bei dem die
Ladungsträgerlebensdauer
im oberflächennahen
Bereich angehoben ist.
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5 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer
im Zentralbereich eines Thyristors.
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6 veranschaulicht
das laterale Profil der Ladungsträgerlebensdauer in dem Thyristor
gemäß 5.
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7 veranschaulicht
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer
in einer Leistungsdiode.
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8 zeigt
das vertikale Profil der Ladungsträgerlebensdauer für die Diode
gemäß 6.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Bauelementbereiche mit gleicher Bedeutung.
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Die
grundsätzlichen
Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand
der 1a und 1b erläutert. Diese
Figuren zeigen schematisch einen Ausschnitt eines Halbleiterkörpers 100 im
Querschnitt, der zwei einander gegenüberliegende Oberflächen 101, 102,
die auch als Vorder- und
Rückseite
des Halbleiterkörpers 100 bezeichnet
werden, aufweist. Der Halbleiterkörper 100 besteht beispielsweise
aus Silizium.
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Bezug
nehmend auf 1a ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorgesehen, den Halbleiterkörper
wenigstens über
eine der beiden Oberflächen 101, 102 mit
Teilchen zu bestrahlen, wodurch Defekte in dem Halbleiterkörper 100 erzeugt
werden. Diese Defekte sind zunächst überwiegend
Primärdefekte
in Form von Leerstellen in dem Kristallgitter des Halbleiterkörpers 100 oder
in Form von Zwischengitteratomen.
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An
diese Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 mit Teilchen
schließt
sich vorzugsweise eine Temperaturbehandlung an, durch welche der
Halbleiterkörper 100 für eine vorgegebene
Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, um aus
den durch die Bestrahlung erzeugten Primärdefekten solche Defekte in
dem Halbleiterkörper 100 zu erzeugen,
die als Re kombinationszentren dienen. Solche als Rekombinationszentren
dienende Defekte sind beispielsweise Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe.
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Die
Dauer dieser Temperaturbehandlung zur Umwandlung der Primärdefekte
in als Rekombinationszentren dienende Defekte beträgt bei Silizium
als Material des Halbleiterkörpers 100 zwischen
einigen Minuten und vielen Stunden, vorzugsweise zwischen 30 Minuten
und 4 Stunden. Die Temperatur, auf welche der Halbleiterkörper 100 während dieser
Temperaturbehandlung aufgeheizt wird, liegt bei Verwendung von Elektronen
zur Erzeugung der Primärdefekte
zwischen 200°C
und 400°C,
vorzugsweise zwischen 200°C
und 300°C.
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In
der Darstellung gemäß 1a ist
angenommen, dass die als Rekombinationszentren dienenden Defekte 111,
die durch die Teilchenbestrahlung und eine sich gegebenenfalls anschließende Temperaturbehandlung
erzeugt wurden, homogen über
den gesamten Halbleiterkörper 100 verteilt
sind. Zur Erzeugung einer solchen homogenen Defektverteilung eignen
sich insbesondere Elektronen als Teilchen für die Bestrahlung. Bei einer
Bestrahlungsenergie im Bereich von 1 MeV lassen sich Halbleiterkörper aus
Silizium bis zu einer Dicke von etwa 2,5 mm mittels Elektronen vollständig durchstrahlen,
so dass in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers nahezu homogen verteilte
Defekte entstehen. In nicht näher dargestellter
Weise besteht selbstverständlich
auch die Möglichkeit,
den Halbleiterkörper
von beiden Seiten 101, 102 mit Teilchen zu bestrahlen.
Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit,
die Defektverteilung in vertikaler Richtung über die Bestrahlungsenergie
der Teilchen einzustellen.
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Hierfür eignen
sich insbesondere Protonen oder Heliumatome. als Bestrahlungsteilchen,
die bei einer gegebenen Bestrahlungsenergie eine geringere Eindringtiefe
als Elektronen besitzt und deren Eindringtiefe über die Bestrahlungsenergie
gut steuerbar ist.
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Die
Defektverteilung in einer quer zu der Bestrahlungsrichtung verlaufenden
lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 lässt sich
durch eine maskierte Teilchenbestrahlung des Halbleiterkörpers erreichen.
Hierzu wird optional eine Maske 401, die in 1a gestrichelt
dargestellt ist, zwischen die Quelle (nicht dargestellt) der Teilchenstrahlung
und den Halbleiterkörper 100 eingebracht,
die eine oder mehrere Öffnungen 402 aufweist.
Durch die Öffnung 402 der
Maske 401 werden die lateralen Abmessungen der Bereiche
des Halbleiterkörpers 100 festgelegt, die
bestrahlt werden und in denen entsprechend als Rekombinationszentren
dienende Defekte erzeugt werden.
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Bezug
nehmend auf 1b ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
weiterhin vorgesehen, wenigstens eine der beiden Oberflächen 101, 102 mit Laserlicht
zu bestrahlen, um dadurch den unterhalb der bestrahlten Oberfläche 101, 102 befindlichen Halbleiterbereich 110, 120 auf
Temperaturen aufzuheizen, bei welchen die als Rekombinationszentren dienenden
Defekte wenigstens teilweise ausgeheilt werden und wodurch die Ladungsträgerlebensdauer in
diesen oberflächennahen
Bereichen 110, 120 wieder angehoben wird.
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Auch
die Bestrahlung des Halbleiterkörpers 100 mit
Laserlicht kann maskiert unter Verwendung einer Maske 403 erfolgen,
die in 1b gestrichelt dargestellt ist.
Eine Aufheizung der oberflächennahen
Bereiche des Halbleiterkörpers 100 erfolgt
dabei nur in solchen Bereichen, die durch die Maske freigelassen
werden. Anstelle einer Maske kann auch eine geeignete Fokussiereinrichtung
(nicht dargestellt) verwendet werden, die das Laserlicht nur auf
gewünschte
Bereiche der Oberfläche
des Halbleiterkörpers 100 richtet.
Eine solche Fokussiereinrichtung kann auch dazu genutzt werden,
die Halbleiteroberfläche
mit dem Laserstrahl zu "beschreiben" oder "rastern", indem der Strahl über verschiedene
Abschnitte der Oberfläche
geführt
wird. Hierdurch können
Bereiche bestrahlt werden, die flächenmäßig größer sind als der Durchmesser
des Laserstrahls.
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Durch
diese maskierte bzw. fokussierte Bestrahlung können in lateraler Richtung
des Halbleiterkörpers
solche Bereiche festgelegt werden, in denen die Ladungsträgerlebensdauer
wieder angehoben wird.
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2 zeigt
die Ladungsträgerlebensdauer des
Halbleiterkörpers 100 in
vertikaler Richtung bzw. x-Richtung für den Fall einer zunächst homogenen Defektverteilung
und einer anschließenden
Laserlichtbestrahlung nur im Bereich der Vorderseite 101. Die
Ladungsträgerlebensdauer
ist dadurch in dem sich an die Vorderseite 101 anschließenden oberflächennahen
Halbleiterbereich 110 im Vergleich zu solchen Halbleiterbereichen,
die weiter entfernt zu der Oberfläche 101 angeordnet
sind und die während des
Laserbestrahlungsschrittes entsprechend nicht aufgeheizt werden,
deutlich erhöht.
Mit τ2 ist
in 2 die erhöhte
Ladungsträgerlebensdauer
im oberflächennahen
Bereich bezeichnet; τ1
bezeichnet die niedrigere Ladungsträgerlebensdauer in Bereichen beabstandet
zu der Oberfläche.
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Das
in 3 dargestellte Profil der Ladungsträgerlebensdauer,
bei welchem die Ladungsträgerlebensdauer
im Bereich beider Oberflächen 101, 102 auf
den höheren
Wert τ2
angehoben ist und bei dem die Ladungsträgerlebensdauer mit zunehmendem Abstand
zu diesen beiden Oberflächen 101, 102 abnimmt,
lässt sich
durch beidseitige Bestrahlung des Halbleiterkörpers mit Laserlicht erreichen.
Die Energie, die Wellenlänge
und die Dauer dieser Laserlichtbestrahlung sind so gewählt, dass
während
des Bestrahlungsschrittes nur oberflächennahe Halbleiterbereiche 110, 120 bis
zu einer gewünschten
Tiefe so stark aufgeheizt werden, dass die dort als Rekombinationszentren
dienenden Defekte ausheilen.
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In
dem anhand der 1a und 1b erläuterten
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird angenommen, dass nach der Teilchenbestrahlung und einem sich
gegebenenfalls daran anschließend
Ausheilschritt eine homogene Defektverteilung in dem Halbleiterkörper 100 vorliegt. Eine
solche homogene Defektverteilung lässt sich durch Verwendung einer
Elektronenbestrahlung erzeugen.
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Wie
bereits erläutert,
besitzen Protonen im Vergleich zu Elektronen gleicher Energie eine
geringere Eindringtiefe. Die Erzeugung einer homogenen Defektverteilung
in Halbleiterkörpern
hochsperrender Leistungshalbleiterbauelemente einer üblichen
Dicke oberhalb von 200μm
ist mit Protonen unwirtschaftlich.
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Das
primäre
Ziel das der Bestrahlung eines Halbleiterkörpers mit Protonen hoher Dosis
(> 1012 cm–2)
zugrunde liegt, ist üblicherweise
nicht die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer, sondern die Erzeugung
sogenannter wasserstoffinduzierter bzw. wasserstoffkorrelierter
Donatoren. Diese wasserstoffinduzierten Donatoren werden durch Bestrahlen des
Halbleiterkörpers
mit Protonen und einen anschließenden
Ausheilschritt mit Temperaturen zwischen 300°C und 500°C erzeugt. Das Maximum der Verteilung
dieser wasserstoffinduzierten Donatoren in Bestrahlungsrichtung
liegt dabei im Bereich der maximalen Eindringtiefe der Protonen
und ist damit von der Bestrahlungsenergie abhängig.
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Die
Protonen erzeugen auf ihrem Weg durch den Halbleiterkörper, und
damit insbesondere im oberflächennahen
Bereich allerdings auch Defekte, die nach Durchführung des Ausheilschrittes
als Rekombinationszentren dienen und die damit die Ladungsträgerlebensdauer
im oberflächennahen
Bereich des Halbleiterkörpers
absenken. Diese Defekte werden durch die vergleichsweise hohen Temperaturen,
die zur Erzeugung der wasserstoffinduzierten Donatoren angewendet
werden, üblicherweise
nicht vollständig
ausgeheilt. Durch die Bestrahlung der Oberfläche, über welche der Halbleiterkörper mit Protonen
be strahlt wurde, kann die Ladungsträgerlebensdauer in diesem oberflächennahen
Bereich weiter angehoben werden.
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4 zeigt
einen Halbleiterkörper
nach Durchführung
eines solchen Verfahrens in Seitenansicht im Querschnitt. Mit dem
Bezugszeichen 112 sind dabei wasserstoffinduzierte Donatoren
bezeichnet, die im Wesentlichen in einem Bereich angeordnet sind,
der beabstandet zu der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers liegt.
Diese wasserstoffinduzierten Donatoren 112 sind durch Bestrahlen
der ersten Oberfläche 101 mit
Protonen und einem anschließenden
Ausheilschritt hergestellt. Im Bereich zwischen der Oberfläche 101 und
dem Bereich der wasserstoffinduzierten Donatoren 112 sind
Bestrahlungsdefekte vorhanden, die auch durch den Ausheilschritt
zur Erzeugung der wasserstoffinduzierten Donatoren nicht vollständig ausgeheilt
werden. Die Konzentration dieser Defekte 111 im oberflächennahen Bereich 110 ist
dabei durch Bestrahlen der Oberfläche 101 mit Laserlicht
reduziert worden.
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Die
wasserstoffinduzierten Donatoren bilden beispielsweise eine sogenannte
vergrabene Stoppzone in einem vertikalen Halbleiterbauelement, beispielsweise
einer Diode oder einem IGBT. Zur Realisierung einer Diode besitzt
der Bereich 110, in dem die Ladungsträgerlebensdauer angehoben wird,
beispielsweise eine n-Dotierung und bildet den n-Emitter des Bauelements.
Der Halbleiterbereich, in dem die Stoppzone realisiert wird, besitzt
eine n-Dotierung und bildet die n-Basis des Bauelements. An diese
n-Basis schließt
sich im Bereich der anderen Oberfläche 102 des Bauelements
eine p-dotierte Halbleiterzone 113 an, die den p-Emitter
der Diode bildet. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich Bezug
nehmend auf 5 beispielsweise zur Einstellung
der Ladungsträgerlebensdauer
im sogenannten Zentralbereich eines Leistungsthyristors. 5 zeigt
einen solchen Leistungsthyristor in Seitenansicht im Querschnitt.
Der Thyristor weist einen p-Emitter
bzw. anodenseitigen Emitter 210, eine n-Basis 211,
eine p-Basis 212 sowie einen n-Emitter bzw. kathodenseitigen Emitter 213 auf,
die in einer vertikalen Richtung eines Halbleiterkörpers 200 aufeinanderfolgend
angeordnet sind.
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Das
Bauteil ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse
A-A ausgebildet, wobei in 6 im Wesentlichen
der Zentralbereich des Thyristors dargestellt ist. Der flächenmäßig üblicherweise
wesentlich größere Bereich
mit dem n-Hauptemitter 213 und
der den n-Hauptemitter 213 kontaktierenden Hauptkathode 222 ist
lediglich abschnittsweise im rechten Teil der 6 dargestellt.
Das Bezugszeichen 214 bezeichneten einen sogenannten Emitterkurzschluss,
der vorzugsweise bei dem Thyristor vorhanden ist.
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Im
Zentralbereich des Bauelements ist eine BOD-Struktur (BOD = Break
Over Diode) ausgebildet, die dadurch realisiert ist, dass die p-Basis 212 in diesem
Bereich einen in Richtung einer Vorderseite 201 des Halbleiterkörpers 200 gekrümmten Abschnitt 216 aufweist.
In der p-Basis 212 sind zwischen dieser BOD-Struktur 216 und
dem Hauptemitter 213 mehrere Hilfsemitter 215 beabstandet
zueinander angeordnet. Diese Hilfsemitter 215 sind in nicht
näher dargestellter
Weise in Draufsicht auf das Bauelement im Wesentlichen ringförmig um
die BOD-Struktur 216 angeordnet. Die Hilfsemitter 215 sind
durch Gate-Elektroden 221 mit
der p-Basis 212 kurzgeschlossen. Diese Gate-Elektroden,
die auch als Amplifying-Gates bezeichnet werden, steuern in Verbindung
mit den Hilfsemittern 215 in bekannter Weise eine Zündausbreitung
in Richtung des Hauptemitters 213 nach einer Zündung des
Bauelements im Bereich der BOD-Struktur 216.
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Vorteilhafterweise
ist bei einem solchen Leistungsthyristor die Ladungsträgerlebensdauer
in der p-Basis 212 im Zentralbereich hoch im Vergleich
zur Ladungsträgerlebensdauer
in der p-Basis 212 im Bereich des Hauptemitters 213.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Lebensdauer
in der p-Basis 212 im
Zentralbereich und im sich daran in vertikaler Richtung anschließenden Bereich
der n-Basiszone 211 hoch im Vergleich zu den entsprechenden
Zonen im Bereich des Hauptemitters 213. Zur Einstellung
dieser Ladungsträgerlebensdauer wird
der Halbleiterkörper 200 des
Thyristors über
die Vorderseite 201 beispielsweise ganzflächig mit
Elektronen bestrahlt, um dadurch gleichmäßig verteilt in dem Halbleiterkörper 200 Primärdefekte
zu erzeugen. Aus diesen Primärdefekten
entstehen während eines
nachfolgenden Temperaturschrittes, bei dem der Halbleiterkörper 200 für eine vorgegebene
Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, Doppelleerstellen
und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe, die als Rekombinationszentren
dienen und die die Ladungsträgerlebensdauer
in dem Bauelement beeinflussen.
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Unter
Verwendung einer Maske 403, die den Bereich des Thyristors
mit dem Hauptemitter 213 bzw. der Hauptkathode 222 abdeckt,
die jedoch den Zentralbereich des Bauelements freilässt, wird
die Vorderseite 201 nachfolgend mit Laserlicht bestrahlt, um
insbesondere die p-Basis 212 und gegebenenfalls einen Teil
der darunter liegenden n-Basiszone in dem durch die Maske 403 nicht
abgedeckten Zentralbereich auf eine Temperatur aufzuheizen, bei
welcher die zuvor erzeugten, als Rekombinationszentren dienenden
Defekte ausheilen.
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6 zeigt
schematisch die Ladungsträgerlebensdauer
in der p-Basis 212 nach Durchführung dieses Bestrahlungsschrittes.
Wie ersichtlich ist, ist die Ladungsträgerlebensdauer in der p-Basis 212 im Zentralbereich
höher als
im Bereich des durch die Maske 403 abgedeckten Hauptemitters 213.
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Die
Laserbestrahlung zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer muss nach dem
letzten Metallisierungsschritt erfolgen, also insbesondere nach Herstellung
der Gates 221 und der Hauptkathode 222 erfolgen,
da die Metall-Temperungen bei Temperaturen im Bereich 400°C oder knapp
darüber
durchgeführt
werden. Bei so hohen Temperaturen würden die Strahlenschäden zu einem
sehr großen
Anteil ausgeheilt. Die Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer kann daher erst
nach der Herstellung der Metallisierungen erfolgen.
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Ein
weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend
anhand der 7 und 8 erläutert. Das
Verfahren dient hierbei zur Einstellung der Ladungsträgerlebensdauer
in einer in einem Halbleiterkörper 300 integrierten Leistungsdiode,
die einen p-Emitter 311, eine n-Basis 312 und
einen sich an die n-Basis 312 anschließenden n-Emitter 313 aufweist. Zur Verbesserung
des Abschaltverhaltens ist bei einer solchen Leistungsdiode ein
vertikaler Verlauf der Ladungsträgerlebensdauer
erwünscht,
wie er in 8 dargestellt ist. Die Ladungsträgerlebensdauer
ist hierbei im Bereich des n-Emitters 313 am größten und
nimmt in Richtung des p-Emitters 311 ab. Zur Einstellung
eines solchen Ladungsträgerlebensdauerprofils
wird der Halbleiterkörper 300 beispielsweise über die
erste Oberfläche 301,
an welche sich der n-Emitter 313 anschließt, ganzflächig mit
Elektronen bestrahlt. Die Bestrahlungsenergie dieser Elektronen
ist dabei so gewählt, dass
nahezu homogen verteilt in dem Halbleiterkörper 300 Primärdefekte
entstehen, die durch einen nachfolgenden Ausheilprozess in Defekte
umgewandelt werden, die als Rekombinationszentren dienen. An diesen
Ausheilprozess schließt
sich eine in 7 schematisch dargestellte Bestrahlung
der ersten Oberfläche 301 mit
Laserlicht an. Durch diese Bestrahlung wird insbesondere der Halbleiterbereich,
in welchem der n-Emitter 313 angeordnet ist, auf eine Temperatur
aufgeheizt, bei welcher die als Rekombinationszentren dienenden
Defekte ausheilt werden, um dadurch die Ladungsträgerlebensdauer
im Bereich dieses n-Emitters 313 wieder anzuheben.
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Gestrichelt
ist in 8 darüber
hinaus die mit N bezeichnete Dotierungskonzentration der einzelnen
Bereiche in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers dargestellt.
-
- 100
- Halbleiterkörper
- 101
- Erste
Oberfläche
des Halbleiterkörpers
- 102
- Zweite
Oberfläche
des Halbleiterkörpers
- 110,
120
- Halbleiterbereiche
mit erhöhter
Ladungsträgerle
-
- bensdauer
- 111
- als
Rekombinationszentren dienende Defekte
- 112
- wasserstoffinduzierte
Donatoren
- 113
- p-Emitter
- 200
- Halbleiterkörper
- 201
- Oberfläche des
Halbleiterkörpers,
Vorderseite
- 202
- Oberfläche des
Halbleiterkörpers,
Rückseite
- 210
- p-Emitter
- 211
- n-Basis
- 212
- p-Basis
- 213
- Hauptemitter
- 214
- Emitterkurzschluss
- 215
- Hilfsemitter
- 216
- BOD-Struktur
- 221
- Amplifying-Gates
- 222
- Hauptkathode
- 300
- Halbleiterkörper
- 301
- Oberfläche des
Halbleiterkörpers,
Vorderseite
- 302
- Oberfläche des
Halbleiterkörpers,
Rückseite
- 311
- p-Emitter
- 312
- n-Basis
- 313
- n-Emitter
- 402
- Aussparung
der Maske
- 403
- Maske