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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der Kontaktierung von Halbleitersubstraten
und insbesondere mit einem Verfahren und einer Vorrichtung, die
ein zuverlässiges
und platzsparendes Kontaktieren eines Halbleitersubstrates erlauben.
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Zunehmende
Integrationsdichten auf Halbleitern bringen es mit sich, dass Kontaktbereiche,
die zum zuverlässigen
leitfähigen
Kontaktieren eines Halbleitersubstrats mit einer Metallisierung
erforderlich sind, immer weiter verkleinert werden müssen. Die
Kontakte werden dabei typischerweise aus einem hochdotierten Halbleiterbereich
gebildet, um einen geringen Übergangswiderstand
zu erzielen. Die zunehmende Miniaturisierung schafft dabei zusätzlich das
Problem, dass die Kontaktgebiete mit anderen funktionalen Bereichen
des Halbleiters räumlich so
nahe beisammen liegen, dass sich die unterschiedlichen Dotierungsprofile
bzw. -Konzentrationen gegenseitig nachteilig beeinflussen können.
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Besonders
hohe Anforderungen an die Kontakteigenschaften bzw. deren räumliche
Integration werden dabei beispielsweise bei der Entwicklung von neuen
Generationen von DMOS Leistungstransistoren gestellt. Der Fokus
bei der Entwicklung neuer Transistorengenerationen liegt dabei auf
der Verringerung des spezifischen Einschaltwiderstands RON·A,
um somit die Verlustleistung im eingeschalteten Zustand auf möglichst
minimale Werte zu reduzieren. Dies lässt sich durch eine Verringerung
der Strukturgrößen (Shrink)
erreichen, womit selbstverständlich
auch die Kontaktgrößen weiter
reduziert werden. Wird als Designziel ein niedriger Einschaltwiderstand
RON vorgegeben, wird dabei nicht nur die geometrische
Ausdehnung der Kontakte durch einen generellen Shrink geringer,
darüber
hinaus steigen die Anforderungen an die Qualität bzw. Eigen schaften der Kontakte
extrem an, da diese einen insgesamt höheren Anteil am Gesamtwiderstand
des Transistors haben, wenn sich der Anteil des Halbleitermaterials
am Widerstand verringert. Durch immer kleinere Kontakte müssen also
hohe Ströme
fließen, wobei
der spezifische Kontaktwiderstand in den Gesamtwiderstand (Zellwiderstand)
stärker
eingeht.
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Um
die hohen Anforderungen an die Kontaktbereiche in Halbleitersubstraten
zu illustrieren, soll im Folgenden anhand der 7 und 8 eine beispielhafte
Implementierung eines modernen Leistungstransistors beschrieben
werden, anhand derer die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Probleme
näher erläutert werden.
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Die 7 zeigt
eine dreidimensionale Prinzipskizze eines Leistungstransistors der
aus mehreren identischen Funktionselementen besteht, die in einem
Halbleitersubstrat angeordnet sind.
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Der
Leistungstransistor weist einen Sourcebereich 2 im Halbleitersubstrat,
einen Body-Bereich 4, einen Driftbereich 6 und
Gate-Elektroden 8a und 8b auf. Der Transistortyp,
also die Dotierung der einzelnen Bereiche, sind für das prinzipielle
Verständnis nicht
erforderlich, sie werden daher ebenso wie die an die Anschlüsse gelegten
Potentiale im Folgenden nicht beschrieben. Im eingeschalteten Zustand,
bilden sich in dem unmittelbar an die Gate-Elektroden 8a und 8b angrenzenden
Body-Bereich 4 leitfähige Kanäle, deren
räumliche
Ausdehnung durch den schraffierten Bereich 10 angedeutet
ist. Dabei erfolgt der Stromfluss durch den Transistor senkrecht
durch das Halbleitersubstrat, weswegen dieses an seiner Oberseite
mit einem Sourceanschluss 12 und an seiner Unterseite mit
einem Drainanschluss 14 zu versehen ist. Durch die vertikale
Ausrichtung des Transistors lässt
sich die zu schaltende Gesamtstromstärke vorteilhaft dadurch erhöhen, dass
die einzelnen identischen Transistorzellen, in deren Zentren sich die
in Gräben
(Trenches) 16a und 16b angeordneten Gate-Elektroden
befinden, in größerer räumlicher Nähe zueinander
angeordnet werden, so dass sich pro Chipfläche mehr leitendes Kanalgebiet
ergibt.
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Ein
Problem besteht dabei bei der erforderlichen elektrischen Kontaktierung
des Sourcebereichs 2 und des Body-Bereichs 4.
Dazu ist zunächst
zu bemerken, dass für
das wunschgemäße Erzeugen
eines elektrischen Kontakts mit geringem Kontaktwiderstand zwischen
einer Metallisierung und einem Halbleiter ein den Kontakt bildender
Halbleiterbereich erforderlich ist, der eine hohe Ladungsträgerkonzentration
aufweist, der also hoch dotiert ist. Ein Kontaktieren des Sourcebereichs
in 7 ist von oben prinzipiell möglich, jedoch muss der Body-Bereich 4 aus
geometrischen Gründen
mit einer zusätzlichen
Struktur kontaktiert werden, die das Kontaktieren innerhalb des
Halbleitersubstrats ermöglicht.
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Bei
Leistungstransistoren wird der Source- und Body-Kontakt häufig durch
einen Grabenkontakt realisiert, wie er in der zweidimensionalen
Darstellung des Leistungstransistors in 8 zusätzlich dargestellt
ist.
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8 zeigt
dabei zusätzlich
zu den bereits in 7 gezeigten Komponenten einen
Grabenbereich 20, der von der Oberfläche bis in den Body-Bereich des
Halbleitersubstrats reicht, so dass prinzipiell ein Kontaktieren
des Body-Bereichs
möglich
ist. Die hochdotierten Kontaktbereiche sind in 8 durch die
dunkel hervorgehobenen Bereiche dargestellt, dabei wird der Body-Bereich 4 über ein
im Grabenboden implantiertes, hochdotiertes Gebiet 22 kontaktiert,
während
die Sourcebereiche über
hochdotierte Gebiete 24a und 24b im oberen Bereich
des Grabens 20 kontaktiert werden können.
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Prinzipiell
sind Kontaktierungen des Sourcebereichs auch von der Oberfläche des
Halbleitersubstrats aus möglich,
in der Praxis sind die Integrationsdichten jedoch so hoch, dass
zwischen Kontaktgraben 20 und Trench 16a bzw. 16b an
der Oberfläche kein
Platz mehr zur Verfügung
steht, da die Gräben 16a und 16b räumlich in
unmittelbarer Nähe
zum Kontaktgraben 22 angeordnet sind. Eine Kontaktierung
des Sourcebereichs über
die Innenseiten des Kontaktgrabens löst dieses Problem, wie es die hochdotierten
Sourcegebiete 24a und 24b zeigen. Beim Leistungstransistor
wird der Source- und Body-Kontakt also häufig durch einen Grabenkontakt realisiert,
bei dem der Source-Kontakt an der Seitenwand und der Body-Kontakt
am Grabenboden ausgebildet wird. Dabei wird der Kontaktwiderstand
des Source-Seitenwandanschlusskontakts durch die Dotierung der Source-Schicht
bestimmt, wobei der Kontaktwiderstand umso niederohmiger ist, je
höher die Schicht
dotiert ist.
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Aufgrund
der hohen Integrationsdichte müssen
die für
einen guten Kontaktwiderstand nötigen hohen
Dotierkonzentrationen extreme Gradienten innerhalb des Halbleitersubstrats
aufweisen, da die hohen Dotierkonzentrationen sonst die in nur minimalem
räumlichen
Abstand befindlichen anderen Transistorbereiche negativ beeinflussen
können.
Bei der Herstellung der Source muss also ein Kompromiss bezüglich der
Transistoreigenschaften (Lage des Kanals oder p-n-Übergangs,
welcher die Durchbruchseigenschaften definiert, Eigenschaften der
Body-Diode, Source-Schichtwiderstand,
Bipolar-Verstärkung, Avalanche-Robustheit,
Seitenwand-Implantation) und den optimalen Voraussetzungen für einen
guten n-Kontakt gefunden werden.
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Bislang
wird die Source-Implantation (Belegung) im Allgemeinen vor einer
Grabenätzung
durchgeführt.
Dies führt
dazu, dass das Sourceprofil, also die Konzentration der Dotierung,
mit zunehmender Tiefe mehr und mehr verarmt, der spezifische Übergangswiderstand
also entlang der Seitenwand bei tieferen Gräben immer schlechter wird.
Dies ist besonders dann problematisch, wenn die obere Source-Schicht
während
des Herstellungsprozesses komplett entfernt wird, wie es z. B. durch
prozessbedingte Oxidationen oder Ätzvorgänge (Reinigen) oftmals bewusst
in Kauf genommen wird. Der Body-Kontakt im Grabenboden wird in der
Regel mit einem zweiten Dotierstoff durch eine Kontakt-Implantation
nach dem Graben-Ätzen
durchgeführt.
Dadurch wird unweigerlich auch eine verunreinigende Dotierung in
die Grabenseitenwand eingebracht bzw. implantiert, was die Qualität eines
Seitenwandkontaktes durch Teilkompensation weiter verringert.
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Die
U.S.-Patentanmeldung 2003/0186507 A1 beschreibt ein Verfahren, bei
dem bei Leistungstransistoren eine Kontaktierung des Source und
des Body-Bereichs dadurch ermöglicht
wird, dass zunächst
von der Oberfläche
ein Sourcegebiet mit hoher Konzentration dotiert wird, woraufhin
ein Graben durch das hochdotierte Sourcegebiet bis in das Body-Gebiet
geschaffen wird, so dass daraufhin durch senkrechte Implantation
am Grabenboden ein hochdotiertes Gebiet erzeugt werden kann, das
ein Kontaktieren mit geringem Kontaktwiderstand ermöglicht.
Das Verfahren basiert dabei darauf, dass an der Oberfläche des
Halbleitersubstrats der zunächst stark
dotierte Sourcebereich eine höhere
geometrische Ausdehnung aufweist als der Graben, so dass nach der
Bildung des Grabens an der Oberfläche des Halbleitersubstrats
noch hochdotierte Gebiete als mögliche
Anschlusspunkte zur Verfügung
stehen. Dies hat den Nachteil, dass die geometrische Integrationsdichte
dadurch limitiert ist, dass zwischen zwei benachbarten Transistorgräben eine
Oberfläche zur
Verfügung
steht, die groß genug
ist, um ein hochdotiertes Sourcegebiet zu ermöglichen, welches wiederum groß genug
sein muss, um zusätzlich
das Ätzen
eines Kontaktgrabens zu ermöglichen,
der große Teile
des hochdotierten Sourcegebietes wieder entfernt.
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Eine
andere Möglichkeit,
auf engem Raum zwei unterschiedliche Dotierungstypen im Kontaktgraben
anzubringen, besteht darin, die zu dotierende Fläche des Grabens (Seitenwand
oder Boden) zunächst
mit einer Dotierquelle zu belegen bzw. zu beschichten, und dann
den Dotierstoff durch Ausdiffundieren in die Halbleiterstruktur
zu übertragen.
Dabei sind jedoch die Dotierstoffquellen meist sehr hoch dotiert,
wodurch eine Ausdiffusion sehr schnell und sehr weitreichend ist,
was bei den minimalen auftretenden räumlichen Abständen nur
bedingt geeignet ist. Darüber
hinaus unterliegt das Ausdiffundieren aus Dotierstoffquellen starken
Prozessschwankungen, so dass das Bestimmen eines geeigneten Prozessfensters
für eine
stabile Fertigung nur schwer möglich
ist. Darüber
hinaus wird durch einen solchen Prozess entlang der zu dotierenden
Seitenwand ein nahezu konstantes, tiefenunabhängiges Dotierungsprofil erzeugt,
was bei der Transistorfertigung nachteilig ist, da dadurch zwangsläufig der
Kanalbereich des Transistors ebenfalls betroffen wird und dessen Eigenschaften
durch die Kontamination mit Dotierungen des falschen Ladungsträgertyps
verschlechtert werden.
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Darüber hinaus
ist im Stand der Technik ein 2-stufiger Kontaktgrabenätzungsprozess
bekannt, bei dem die Dotierstoffkonzentration für den Source-Kontakt (beispielsweise
ein n+-Kontakt)
mittels getilteter, also geneigter, Seitenwandimplantation in einen
Kontaktgraben eingebracht wird. Dadurch wird jedoch ebenfalls eine
homogene Verteilung der Dotierstoffkonzentration entlang der Grabenseitenwand erzeugt,
was die bereits geschilderten Nachteile mit sich bringt. Darüber hinaus
ist die Prozesseffizienz bei getilteter Seitenwandimplantation nicht
optimal, da zum einen durch die Tilt-Implantation nur ein geringer Teil der
Implantationsdosis effektiv in die Seitenwand hineinkommt (hochdosige
Hochstromimplanter haben häufig
nur Tilts bis ca. 10° zur
Verfügung).
Zum anderen werden im weiteren Prozessverlauf durch zwingend notwendige
Reinigungsschritte einige 10 nm Silizium von der Grabenkontaktseitenwand
abgetragen, in denen der größte Teil
der implantierten Dosis akkumuliert ist. Somit wird durch diese
Prozessschritte der größte Teil
der wunschgemäßen Dotierstoffe
wieder entfernt.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 0654173
B1 befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines
Leistungshalbleiters, welcher beispielsweise ein MOSFET oder ein
IGBT sein kann. Dabei wird ein ursprünglich P-dotierter Bereich
mittels einer Hochdosis-Implantation in einen N-Bereich umdotiert,
um einen Source-Bereich eines Transistor zu bilden.
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Die
US Patentanmeldung 2002/0008284 A1 befasst sich mit einem Verfahren
zur Herstellung eines Leistungs-MOSFETs bzw. mit dem hergestellten Halbleiter
selbst. Dabei wird zunächst
eine dielektrische Schicht (Oxid) entfernt, so dass das Halbleitermaterial
freigelegt wird und die Oberfläche
desselben in etwa Plan ist. Auf das Planarisieren folgt das Implantieren
einer hohen N-Konzentration in einem Bereich 26 eines P-dotierten Bereichs,
um durch Umdotierung einen Source-Bereich zu bilden.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 10 2004 009 083 A1 zeigt, dass ein geeigneter
Body-Kontakt im Body-Bereich
12 eines Leistungstransistors
dadurch gebildet werden kann, dass ein Graben bis in den Body-Bereich
geätzt
wird, woraufhin eine Hochdosis-Implantation
im am Grabenboden erfolgt.
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Die
europäisch
Patentanmeldung
EP 0440394
A2 beschreibt eine MOSFET-Struktur mit vergrabenem Gate-Kontakt
und einem vergrabenen Kurzschluss zwischen dem Source- und dem Body-Bereich eines MOSFETs.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zu
schaffen, mit dem ein zuverlässiges
und niederohmiges Kontaktieren eines Halbleitersubstrats innerhalb
eines Kontaktgrabens effizienter und kontrollierbarer möglich wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und durch
eine Halbleiterstruktur nach Patentanspruch 11 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine
hochdotierte Kontaktstelle in einer Ausnehmung im Oberflächenbereich
einer Halbleiterstruktur effizient und platzsparend mit einem Verfahren
erzeugt werden kann, bei dem zunächst
eine Ausnehmung im Oberflächenbereich
bis zu einer vorläufigen
Ausnehmungstiefe erzeugt wird und bei dem dann eine Dotierung in
den Grabenboden implantiert wird, wobei daran anschließend die Dotierung
durch Tempern der Halbleiterstruktur ausdiffundiert wird, so dass
nach dem Vertiefen der Ausnehmung bis zu einer gewünschten
Ausnehmungstiefe an einer der vorläufigen Ausnehmungstiefe entsprechenden
Position entlang der Grabenseitenwand ein Maximum der Dotierstoffkonzentration
vorliegt, welches ein Kontaktieren mit niedrigem Kontaktwiderstand
ermöglicht.
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Dieses
2-stufige Kontaktgrabenätzen
hat den großen
Vorteil, dass die maximale Dotierstoffkonzentration nicht an der
Oberfläche
der Halbleiterstruktur befindlich ist, wo sie durch weitere Prozessschritte
wie Ätzen,
abgetragen werden kann.
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Ein
weiterer großer
Vorteil ist, dass die einstellbare Lokalisierung des Dotierungsmaximums dazu
beiträgt,
die Halbleiterstrukturen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
kontaktiert werden sollen, nicht in ihrer Funktionsweise zu beeinträchtigen.
Beispielsweise befinden sich die für die Funktionsweisen eines
Transistors relevanten Halbleiterbereiche bzw. p-n-Übergänge bei
realen Implementierungen in unmittelbarer Nähe der Kontakte, wie es anhand
von 8 zu sehen ist. Bei herkömmlichen Verfahren, bei denen
entweder entlang der gesamten Grabenseitenwand durch getiltete Implantation
bzw. durch Belegungsprozesse ein im Wesentlichen homogenes Dotierungsprofil
erreicht wird, werden die Eigenschaften des angrenzenden Transistors
durch die Kontaktierung verändert,
was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vermieden werden kann.
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Der
Kern der Erfindung liegt also im Einbringen eines hochkonzentrierten
Dotierstoffmaximums eines ersten Dotierstofftyps (hier n+) entlang einer Kontaktgrabenseitenwand
in einer signifikanten, von der Oberfläche entfernten großen Tiefe
zur Erreichung eines sehr guten n+-Kontaktes.
Zusätzlich kann
davon abgesetzt in noch größere Entfernung zur
Oberfläche
ein weiteres Dotierstoffmaximum des zweiten Dotierstofftyps (beispielsweise
p+) entlang der Kontaktgrabenseitenwand
und/oder im Kontaktgrabenbodenbereich zur gleichzeitigen Erreichung eines
sehr guten zweiten (p+) Kontaktes ausgebildet werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungstransistor, der senkrecht
zur Halbleiteroberfläche
angeordnet ist und dessen Gate-Elektrode in einem Graben befindlich
ist, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens elektrisch
kontaktiert. Durch die hohen Integrationsdichten moderner Leistungsbauelemente
befinden sich dabei die Gräben
(„Trenches") in unmittelbarer räumlicher
Nähe zu
den Kontaktgräben,
so dass eine starke Lokalisierung der hochdotierten Kontaktbereiche
im Kontaktgraben besonders wichtig ist, um die Transistoreigenschaften
durch die Ausdiffusion nicht negativ zu beeinflussen. Daher wird
zur Kontaktierung des Sourcebereiches zunächst parallel zur Grabenseitenwand
des Transistors ein Teil eines Kontaktgrabens erzeugt, was beispielsweise
durch Plasmaätzen
geschehen kann. Um den Sourcebereich des Transistors elektrisch
kontaktieren zu können, wird
daraufhin in den Boden des Grabenstücks, der sich innerhalb des
Sourcebereichs des Transistors befindet, eine hohe Dotierstoffkonzentration
eingebracht, die dem Dotierstofftyp des Sourcebereichs des Transistors
entspricht. Daran anschließend
wird mittels einer Temperung die Dotierung in das Halbleitersubstrat
hinein ausdiffundiert, wobei diese insbesondere auch in das Sourcegebiet,
das sich zwischen dem Transistorgraben und dem Kontaktgraben befindet,
diffundiert. Die Parameter der Temperung, also der Temperaturverlauf
und das Zeitfenster können
dabei so angepasst werden, dass das Gebiet, in den der Dotierstoff
ausdiffundiert wird, eine wunschgemäße geometrische Ausdehnung
aufweist.
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Daran
anschließend
wird der Kontaktgraben bis zu seiner endgültigen Tiefe geätzt, die
sich innerhalb des Body-Bereichs
des Transistors befindet, da über
den Kontaktgraben zusätzlich
der Body-Bereich des Transistors kontaktiert werden soll. Dazu wird
zusätzlich
in den Boden des Kontaktgrabens mittels hochdosiger niederenergetischer
Kontaktimplantation eine hohe Konzentration des Dotierstofftyps
des Body-Bereiches eingebracht, die mittels einer nachfolgenden
schnellen Temperung aktiviert wird.
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Es
ist somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
möglich,
den Source- und den Body-Bereich eines Leistungshalbleiters mit
Kontakten geringen Kontaktwiderstands zu versehen, wobei der Vorteil
insbesondere darin liegt, dass der Source-Kontakt des Halbleitersubstrats
seine maximale Leitfähigkeit
in einer signifikanten, durch die Prozessschritte wählbaren
Tiefe aufweist.
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Bei
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Erzeugen von Kontaktstellen wird eine Halbleiterstruktur erzeugt,
die entlang einer Kontaktgrabenseitenwand ein ausgeprägtes Dotierstoffmaximum
in einer relevanten Tiefe und signifikant von der Oberfläche entfernt
aufweist, welches zusätzlich
relevant hoch dotiert ist, um einen sehr guten Kontakt herzustellen.
In diesem Kontext bedeutet eine relevante Tiefe bzw. signifikant
von der Oberfläche
entfernt eine Tiefe von mindestens 300 nm, bevorzugt sogar mindestens
500 nm und als Zielbereich durchaus 500 – 1.200 nm. Die relevante hohe
Dotierung bedeutet hier größer 5e19/cm3, bevorzugt sogar 7e19/cm3 und
als Zielbereich 7e19 – einige
e20/cm3, daraus folgt für die Implantationsdosis ein
Bereich von 5e15 – einige
e16/cm2.
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Die
hier genannten Anforderungen können mittels
herkömmlicher
Implantationen nicht geleistet werden, da entweder zur hohen Dosis
ein Hochstromimplanter benötigt
wird, der jedoch die hohen Energien zur Erreichung der großen Tiefen
nicht leistet oder umgekehrt ein Hochenergie-Implanter nicht die hohen
Dosen in sinnvoller Prozesszeit erreichen kann. Somit bietet sich
das hier beschriebene erfindungsgemäße Verfahren an: Es wird anstelle
der HE-Implantation zuerst ein erster Teil des Kontaktgrabens geätzt, bis
fast in die gewünschte
Eindringtiefe des Dotierstoffmaximums, anschließend eine hochdosige niederenergetische
n+-Kontaktimplantation in den Grabenboden
eingebracht, daran angekoppelt wird mit einer Temperung die hohe
n+-Dosis im benachbarten Mesagebiet seitlich
ausgetrieben. Anschließend
wird der Kontaktgraben bis in seine Zieltiefe weitergeätzt, um
letztlich dort die hochdosige niederenergetische p+-Kontaktimplantation
in den Grabenboden hinein mit nachfolgender RTP zur Erreichung eines
sehr guten p+-Kontaktes durchzuführen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der erste Teil der Grabenätzung des
Kontaktgrabens als Plasmaätzung und
der zweite Teil mittels KOH durchgeführt. Bei der KOH-Ätzung hängt die
Tiefe des durch Ätzen
entfernten Halbleiterbereiches von der Breite des Kontaktgrabens
ab, da durch den Ätzvorgang
ein trichterförmiger
durch Ätzen
entfernter Bereich entsteht, bei dem die Seitenwände des Grabens in etwa einen 135° Winkel zur
Grabenseitenwand bilden. Die Tiefe einer mittels KOH-Ätzung erzeugten
Struktur ist also im Wesentlichen selbstjustierend und von der Breite des
Kontaktgrabens abhängig.
Durch die Ätzung
ergibt sich in der Querschnittsansicht des Kontaktgrabens eine nach
unten zeigende, spitz zulaufende Pfeilform. Der Vorteil bei diesem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist, dass der Body-Kontakt (p+)
großflächiger und
damit im Hochstromfall günstiger
ist und dass sich darüber
hinaus die Tiefe der KOH-Spitze quasi selbst justiert zur Kontaktgrabenbreite
aus der ersten Plasmaätzung
ergibt, sodass insgesamt weniger Streuungen der Gesamt-Kontaktgrabentiefe
auftreten, als dies beispielsweise bei einer 2-stufigen Standardgrabenätzung der
Fall wäre.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird beim Herstellen eines Leistungstransistors,
der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
kontaktiert wird, das Source-Gebiet 2-stufig ausgebildet. Dabei
wird zunächst
ein niedrig dotiertes Source-Gebiet von der Oberfläche her
vor Beginn der Kontaktgrabenätzung
implantiert und ausdiffundiert. Dabei kann das Dotierstoffmaximum
auch an der Oberfläche
des Halbleitersubstrats liegen, wobei dieses wesentlich niedriger
dotiert ist als das Sourceanschlussgebiet und wobei es darüber hinaus
weiter als dieses ausdiffundiert wird. Danach erfolgt die Bildung
des Kontaktgrabens wie oben beschrieben. Der Source-Body p-n-Übergang wird
somit durch das niedrig dotierte Source-Gebiet definiert und ist
im Wesentlichen unabhängig
von der Grabenätzung.
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Auf
die 2-stufige Ausgestaltung kann prinzipiell auch verzichtet werden,
wobei dann das Source-Gebiet des Leistungstransistors durch das
ausdiffundierte Material, das während
des ersten Schritts der Grabenätzung
in den Grabenboden implantiert wurde, gebildet wird. Dabei hängt jedoch
die Lage des p-n-Überganges
sowie die Kanallänge
und die Einsatzspannung des DMOS (Double diffused MOS) Transistors
von der Tiefe der Grabenätzung
ab, was durch das 2-stufige Ausdiffundieren des Source-Bereichs
vermieden wird.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 Den
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2a und 2b Eine
schematische Darstellung des Kontak tierverfahrens am Beispiel eines Leistungstransistors;
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3 Ein
modifiziertes Verfahren mit 2-stufiger Bildung eines Source-Bereichs;
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4 Eine
Darstellung eines alternativen Verfahrensschritts;
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5a bis 5c Die
Dotierstoffkonzentrationen beim Kontaktieren eines Leistungstransistors mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 Eine
eindimensionale Projektion der Dotierstoffkonzentration des Beispiels
von 5c;
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7 dreidimensionale
Prinzipskizze eines Halbleiterleistungsschalters; und
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8 zweidimensionale
Skizze eines Halbleiterleistungsschalters.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Schritte, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Erzeugen von tiefliegenden Kontaktstellen in einer Halbleiterstruktur
notwendig sind.
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Dabei
wird zunächst
in der Halbleiterstruktur im ersten Ätzschritt 30 ein Teilstück eines
Kontaktgrabens erzeugt, wobei der Boden des Teilstücks innerhalb
des Bereichs des Halbleitermaterials befindlich sein muss, das mittels
des Kontaktgrabens kontaktiert werden soll.
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Im
Implantationsschritt 32 wird daraufhin eine hohe Dotierstoffkonzentration
des gewünschten Dotiermaterials
in den Grabenboden eingebracht.
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Nach
erfolgreichem Implantieren wird in einem Temperschritt 34 die
eingebrachte Dotierung ausdiffundiert, so dass diese vom unmittelbaren
Bodenbereich sowohl in Richtung der Verlängerung des Grabens als auch
seitlich zum Graben ausdiffundiert wird. Die Reichweite der Diffusion
und der sich somit einstellende Gradient der Dotierstoffkonzentration
im Halbleitermaterial lässt
sich durch die Parameter der Temperung geeignet einstellen.
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Nach
erfolgter Temperung wird in einem zweiten Ätzschritt 36 der Graben
bis zu einer Zieltiefe fertig geätzt,
wobei der hochdotierte Bereich im Grabenboden entfernt wird, so
dass sich die maximale Dotierstoffkonzentration nunmehr an der Seitenwand des
Kontaktgrabens im Wesentlichen an der Position befindet, an der
nach dem ersten Ätzschritt 30 der Grabenboden
befindlich war.
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Durch
das beschriebene Verfahren wird es also möglich, einen hochleitfähigen, d.
h. hochdotierten Halbleiterkontakt innerhalb eines Grabens an einer
Position anzuordnen, die signifikant von der Oberfläche entfernt
ist, wobei darüber
hinaus die Möglichkeit
besteht, am Grabenboden des fertiggestellten Grabens eine weitere
Kontaktierung anzubringen, um dadurch einen weiteren Bereich eines
Halbleiterbauelements elektrisch zu kontaktieren.
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Die 2a und 2b zeigen
schematisch das erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines Kontaktes im Halbleitersubstrat am Beispiel
eines Leistungstransistors, der vertikal im Halbleitersubstrat angeordnet
ist. Der Leistungstransistor weist dabei einen Source-Bereich 40 und
einen Drain-Bereich 42 des selben Dotierstofftyps auf.
Zwischen Source-Bereich 40 und Drain-Bereich 42 befindet sich
ein Body-Bereich 44, innerhalb dessen sich im eingeschalteten
Zustand des Transistors der leitfähige Kanal ausbildet. Eine
Gate-Elektrode 46 steuert den Transistor, wobei die Gate-Elektrode 46 innerhalb
eines Grabens („Trenches") 48 angeordnet
ist, der das Halbleitersubstrat in vertikaler Richtung durchzieht.
Der Graben 48 ist notwendig, um die Gate-Elektrode 46 in
der Nähe
des Body-Bereichs 44 anordnen zu können, wenn der Transistor in
vertikaler Richtung im Halbleitersubstrat angeordnet ist.
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2 zeigt die Situation nach dem der Graben
bereits teilweise erzeugt ist, ein Grabenabschnitt 50 also
bereits in den Source-Bereich 40 des Halbleitersubstrats
geätzt
wurde. Darüber
hinaus ist in der in 2a gezeigten Situation bereits
eine Implantation einer dem Source-Bereich entsprechenden Dotierung
in den Source-Bereich erfolgt, wobei sich die Dotierung unterhalb
des Grabenbodens im Dotierbereich 52 befindet. Dabei ist
die Tiefe des Grabenabschnitts 50 so zu wählen, dass
sich das Maximum des Dotierbereichs 52, bzw. der Bereich,
der mit einer Dotierung versehen wurde, möglichst vollständig innerhalb
des Source-Bereichs 40 befindet.
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Die 2b zeigt
die Situation nach dem Fertigstellen des Grabens, d. h. nachdem
der Dotierbereich 52 von 2a durch
Temperung ausdiffundiert wurde und nachdem der Grabenabschnitt 50 zu
einem Kontaktgraben 54 fertig geätzt wurde. Der Dotierbereich 52 aus 2a wurde
durch das Fertig-Ätzen
unterhalb des Grabens vollständig
entfernt, jedoch verbleibt eine hohe Konzentration der Dotierung
als Kontaktbereich 56 an der Grabenseitenwand, der sich
an der ursprünglichen
Position des Bodens des Grabenabschnitts 50 befindet.
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Somit
ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren
möglich,
hochleitfähige,
tiefliegende Kontakte in einem Halbleitersubstrat herzustellen,
wobei insbesondere erreicht werden kann, dass der hochdotierte Bereich
stark lokalisiert ist, dieser also nicht die Transistoreigenschaften
durch Beeinflussung des pn-Übergangs
zwischen dem Source-Bereich 40 und dem Body-Bereich 44 beeinflusst.
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Wie
es anhand der 2a und 2b nicht dargestellt
ist, kann darüber
hinaus nach Fertigstellen des Kontaktgrabens 54 in dessen
Grabenboden, also im Body-Bereich, durch Kontaktimplantation eine
weitere hochdotierte Kontaktschicht implantiert werden, um darüber den
Body-Bereich des Transistors zu kontaktieren. Es ist darüber hinaus
zu bemerken, dass im Fall des Leistungstransistors, wie er in 2a und 2b gezeigt
ist, die für
die Funktion des Transistors notwendigen Dotierungen des Source-
und des Body-Bereichs sogar ausschließlich über das erfindungsgemäße Kontaktierverfahren
eingebracht werden können,
wobei sowohl die Source-Implantation als auch die darauffolgende
Body-Implantation dann geeignet auszudiffundieren sind, so dass sich
der p-n-Übergang
zwischen Source und Body durch die ausdiffundierten Dotierungen
der Kontaktbereiche selbst ergibt.
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Dadurch
wird jedoch die Lage des pn-Überganges,
sowie die Kanallänge
und die Einsatzspannung des DMOS-Transistors von der Tiefe der Graben-Ätzung abhängig. Dies
lässt sich
jedoch dann umgehen, wenn das Source-Gebiet 2-stufig gebildet wird,
wie es in 3 dargestellt ist. Dazu wird
zunächst
in das Source-Gebiet ein niedrig-dotiertes Gebiet 60 implantiert,
was mittels eines Hochenergie-Implanters, der jedoch nur eine geringe
Dosis liefern kann, sogar bereits vor der Ausbildung des Kontaktgrabens
möglich
ist. Nun erfolgt das Herausätzen des
ersten Teilabschnittes des Kontaktgrabens. Danach wird das hochdotierte
Gebiet 62 implantiert, dessen Dotierungsmaximum näher an der
Oberfläche
des Grabens befindlich ist, so wie es in 3 zu sehen
ist. Ein anschließendes
Tempern des Halbleiterbauelements hat dann den Effekt, dass sowohl
ein hochdotierter Kontaktbereich innerhalb des Source-Bereichs 40 durch
das Ausdiffundieren des hochdotierten Gebietes gebildet wird, als
auch, dass die Lage des p-n-Überganges
zwischen Source-Bereich und Body-Bereich durch das Ausdiffundieren
des niedrig-dotierten Gebietes 60 bestimmt wird. Ein 2-stufiges
Implantieren des Source-Bereichs mittels eines Hochenergie-Implanters, bei dem
das Maximum der Dotierstoffkonzentration genau einstellbar ist,
hat also den Vorteil, dass die Lage des pn-Übergangs nicht mehr durch die
Tiefe der Grabenätzung bestimmt
ist, jedoch trotzdem ein niedrigohmiger Anschlusskontakt erfindungsgemäß auf vorteilhafte
Art und Weise in einer signifikanten Tiefe im Halbleitersubstrat
hergestellt werden kann.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei der im Schritt des Fertigstellens
des Grabens eine selbstjustierende Ätzung, wie beispielsweise die
KOH-Ätzung
zum Einsatz kommt. Dies hat den Vorteil einer erhöhten Prozessgenauigkeit,
da das erzielte Ätzergebnis
im Wesentlichen von der Breite des ursprünglichen Grabenabschnitts abhängt, wenn
das Ätzen
einen im Wesentlichen trichterförmigen
Spitzenbereich 64 des Kontaktgrabens 54 ergibt.
Dadurch kann der Body-Kontakt großflächiger ausgelegt werden, was
insbesondere im Hochstromfall günstig
ist. Darüber
hinaus wird die Prozessgenauigkeit durch die Selbstjustage des KOH-Ätzprozesses
verbessert.
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5a–5c zeigen
zweidimensionale Dotierungsprofile, wie sie während dem Verfahren zum Erzeugen
von Kontaktstellen auftreten, das hier beispielhaft für das Kontaktieren
des Source- und Body-Bereichs eines vertikalen Leistungstransistors
mit p-dotiertem Kanalbereich gezeigt ist.
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5a bis 5c zeigen
dabei aus Symmetriegründen
lediglich eine halbe Zelle eines Leistungstransistors, wie er beispielsweise
in 8 beschrieben ist. Die Figuren zeigen dabei in
drei Abbildungen die Situation, wie sie sich nach Durchführung bestimmter
Prozessschritte ergeben.
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In 5a ist
dabei eine Konfiguration gezeigt, wie sie sich nach dem teilweisen
Erzeugen des Kontaktgrabens und dem Ausdiffundieren der ersten Implantation
ergibt. 5b zeigt die Situation nach dem
Fertigstellen des Kontaktgrabens und dem Implantieren des zweiten
Dotierstofftyps in den Grabenboden, wohingegen in 5c die
Dotierstoffkonzentrationen am fertig-prozessierten Leistungstransistor gezeigt
sind. Die 5a–5c zeigen
dabei jeweils auf ihrer linken Seite einen Halbleiterbereich 70,
in den die n- bzw. die p-Dotierungen
einzubringen sind, und der die n-p-n-Konfiguration des fertigen Transistors
gebildet wird. In einem Graben- oder Trench-Bereich 72 ist
eine Gate-Elektrode 74 dargestellt, die sich innerhalb
des mit einem elektrisch isolierenden Material 78 (bspsw.
SiO2) gefüllten Grabenbereichs 72 befindet.
Die x- und y-Achsen der 5a–c zeigen
dabei jeweils die Ortskoordinaten in willkürlichen Einheiten.
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In 5a ist
die Konfiguration nach dem Erzeugen des ersten Grabenabschnitts 80 und
nach der Implantation der ersten Dotierung 82 in den Boden
des Grabenabschnitts 80 dargestellt. Erfindungsgemäß befindet
sich nach dem Ausdiffundieren der Dotierung die maximale Konzentration
der ersten Dotierung 82 unterhalb des Grabenbodens, wobei
sich insgesamt die durch die Temperung erzeugte Konzentrationsverteilung
von Dotierstoffatomen (Phosphor) ergibt, wie sie in 5a zu
sehen ist.
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5b zeigt
die Situation nach dem Fertigstellen des Grabens und nachdem in
den Grabenboden eine hohe Konzentration des einen Dotierstoffs 84 (Bor)
implantiert und diese durch Temperung ausdiffundiert wurde, so dass
sich das Maximum der Konzentration der zweiten Dotierung 84 unterhalb des
Grabenbodens befindet und sich das in 5b gezeigte
Konzentrationsverhältnis
des zweiten Dotierstofftyps einstellt.
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Die 5c zeigt
das fertig-prozessierte Substrat, bei dem sich der pn-Übergang
des Source- und Body-Bereichs in unmittelbarer Nähe der Gate-Elektrode 74 befindet.
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Wie
es das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, befindet sich ein Dotierstoffmaximum 86 der ersten
Dotierung an einer Seite der Grabenwand in einem signifikanten Abstand
zur Oberfläche
des Halbleitersubstrats. Darüber
hinaus ist das Maximum der zweiten Dotierung 84 am Boden
des Grabenkontakts befindlich, so dass mittels einer Metallisierung das
Dotierstoffmaximum 86 sowie die zweite Dotierung 84 auf
vorteilhafte Art und Weise elektrisch kontaktiert werden können, wobei
die Übergangswiderstände aufgrund
der hohen lokalen Dotierstoffkonzentrationen sehr gering sind.
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6 zeigt
in einer eindimensionalen Projektion auf die y-Achse die Dotierstoffkonzentration, wie
sie sich für
die fertig-prozessierte Konfiguration von 5c darstellt.
Dabei ist auf der x-Achse der Graphik in 6 die y-Koordinate von 5c in
willkürlichen
Einheiten dargestellt, auf der x-Achse die Dotierstoffkonzentration
in logarithmischen Einheiten, wobei eine Akzeptorkurve 90 den
Verlauf der Dotierstoffkonzentration der Elektronakzeptoren, also der
löcherbildenden
Bereiche angibt, wobei eine Donatorkurve 92 die Konzentration
der Elektrondonatoren darstellt, durch die der n-Bereich des Transistors gebildet
wird. Erfindungsgemäß weist
der npn-Transistor von 5c das Maximum der Dotierstoffkonzentration
im Source-Bereich an einer Kontaktposition 94 auf, die
signifikant (mehr als 300 nm) von der Oberfläche des Halbleitersubstrats
entfernt ist, sodass sich in dieser Tiefe der gewünschte niedrige Kontaktwiderstand
zur Kontaktierung der Source des Transistors einstellt.
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In
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
und Erläuterungen
wurde das erfindungsgemäße Verfahren,
bzw. die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur,
die das Erzeugen eines hochdotierten tiefliegenden Kontaktes in
einem Kontaktgraben ermöglichen,
hauptsächlich
anhand von Beispielen dargestellt, die das Kontaktieren eines Transistors
zum Ziel haben. Es ist selbstverständlich, dass das Verfahren für jedwede
andere Bauelemente äußerste Relevanz besitzt,
bei denen das sichere Kon taktieren von dotierten Halbleiterbereichen
in tieferen Schichten des Substrats erforderlich oder vorteilhaft
ist, wie beispielsweise bei Power MOSFETs, IGBTs, Logiken und Speichern.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dabei nicht auf einen Dotierstofftyp beschränkt, sondern kann mit allen
Dotierstoffen durchgeführt
werden, insbesondere muss bei einem zusätzlichen Dotieren des fertigen
Grabenbodens die Art der Dotierung des Grabenbodens und der Grabenseitenwand
nicht zwingend voneinander abweichen, wie es in den beschriebenen
Beispielen stets der Fall ist.
-
- 2
- Source-Bereich
- 4
- Body-Bereich
- 6
- Drift-Bereich
- 8a,
b
- Gate-Elektrode
- 10
- Kanal-Bereich
- 12
- Source-Anschluß
- 14
- Drain-Anschluß
- 16a,
b
- Graben
- 20
- Kontaktgraben
- 22
- hochdotierter
Body-Bereich
- 24a,
b
- hochdotierter
Source-Bereich
- 30
- erster Ätzschritt
- 32
- Implantationsschritt
- 34
- Temperschritt
- 36
- zweiter Ätzschritt
- 40
- Source-Bereich
- 42
- Drain-Bereich
- 44
- Body-Bereich
- 46
- Gate-Elektrode
- 48
- Graben
- 50
- Grabenabschnitt
- 52
- Dotier-Bereich
- 54
- Kontaktgraben
- 56
- Kontakt-Bereich
- 60
- niedrig-dotiertes
Gebiet
- 62
- hochdotiertes
Gebiet
- 64
- Spitzen-Bereich
- 70
- Halbleiter-Bereich
- 72
- Graben-Bereich
- 74
- Gate-Elektrode
- 76
- Feld-Elektrode
- 78
- isolierendes
Material
- 80
- Grabenabschnitt
- 82
- erste
Dotierung
- 84
- zweite
Dotierung
- 86
- Dotierstoffmaximum
- 90
- Akzeptorkurve
- 92
- Donatorkurve
- 94
- Kontaktposition