DE102006040491B4 - Verfahren zur Erzeugung einer Implantationszone und Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Feldstoppzone - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung einer Implantationszone und Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Feldstoppzone Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Implantationszone in einem Halbleitersubstrat (28, 35, 44), wobei in einem Schritt der Bestrahlung des Halbleitersubstrats mit einem Protonenstrahl zur Protonenimplantation (29, 33, 42) die Implantationszone (27, 37, 43) in einer vorbestimmten Eindringtiefe (31, 36, 45), ausgehend von einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (28, 35, 44), ausgebildet wird, indem durch aufeinander abgestimmte Erhöhung der Strahlungsenergie des Protonenstrahls und Erhöhung der durchstrahlten Weglänge bis zu einem Haupt-Implantationspeak eine in der vorbestimmten Eindringtiefe ungestörte Implantationszone erzeugt wird, die gegenüber einer in derselben Eindringtiefe mit nicht erhöhter Strahlungsenergie und Weglänge erzeugten Implantationszone in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats verbreitert ist, wobei die Implantationszone (27, 37, 43) in einer gegenüber der vorbestimmten Eindringtiefe (31, 36, 45) größeren Eindringtiefe erzeugt und wobei anschließend der die vorbestimmte Eindringtiefe (31, 36, 45) übersteigende Teil der Dicke des Substrats (28, 35, 44) auf der Hauptoberfläche abgetragen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Implantationszone und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Feldstoppzone.
  • Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist heute der am weitesten verbreitete Halbleiterschalter für selbstgeführte leistungselektronische Schaltungen. Hierbei unterscheidet man zwischen dem PT-IGBT (Punch Trough – PT), dem NPT-IGBT (Non Punch Through – NPT) und dem FS-IGBT (Field Stop – FS).
  • In 1, 2 und 3 sind die drei unterschiedlichen Typen des IGBT dargestellt.
  • Der in 1 dargestellte PT-IGBT besteht aus einer DMOS-Struktur 10 die auf einem n–-Epitaxiewafer 11 angeordnet ist und einer Stoppzone 12 die auf einem hochdotierten p+-Substrat 13 angeordnet ist.
  • 2 zeigt einen NPT-IGBT, der sich aus einer auf einem homogenen Wafermaterial 14, wie z. B. n–-Substrat, angeordneten DMOS-Struktur 15 und einem p–-dotierten Emitter 16 zusammensetzt. Dabei wird die Substratdicke des Wafermaterials 14 entsprechend einer geforderten Durchbruchspannung ausgebildet, wobei der p–-dotierte Emitter 16 nach der entsprechenden Abdünnung des Substrats 14 implantiert wird.
  • 3 zeigt einen FS-IGBT, der im gewissen Sinne eine Kombination aus PT-IGBT und NPT-IGBT ist. Durch die Verwendung einer Feldstoppzone 17, die üblicherweise deutlich niedriger dotiert ist als die in 1 gezeigte Stoppzone 12, wird zwischen dem niedrig dotierten n– Gebiet 18 und dem rückseitigen p-Gebiet 19 ein zusätzliches, etwas höher dotiertes n-Gebiet eingebaut, durch das das elektrische Feld komplett abgebaut wird. Damit kann der ”Punch Through”-Effekt, d. h. ein Durchgreifen des Feldes zum p-Emitter, sicher vermieden werden. Außerdem ermöglicht die Verwendung einer Feldstoppzone 17 eine Verringerung der Substratdicke von bis zu 30% verglichen mit dem NPT-IGBT.
  • Weiterhin sollte die Feldstoppzone insbesondere innerhalb von IGBT-Halbleitervorrichtungen so ausgestaltet sein, dass einerseits eine ausreichende Sperrfähigkeit des Halbleiterbauteils garantiert ist, andererseits jedoch auch zufrieden stellende dynamische Eigenschaften ermöglicht werden. Wünschenswert wäre hierbei, die Feldstoppzone bei Temperaturen unterhalb von 500°C herzustellen, damit diese auch in einem relativ späten Prozessstadium hergestellt werden kann, ohne vorangehend erzeugte Strukturen, wie z. B. Metallverbindungen, in Mitleidenschaft zu ziehen.
  • Das in 4 schematisch dargestellte Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone 20, zeigt einen Wafer 21, der mit Protonenstrahlen 22 senkrecht zur Hauptfläche des Wafers bestrahlt wird. Durch auf der Hauptfläche des Wafers liegende Partikel 23 werden in der in der Eindringtiefe 24 hergestellten Feldstoppzone 20 ”Löcher” 25 verursacht, welche den Leckstrom der Halbleitervorrichtung durch lokale ”Punch-Through”-Effekte deutlich erhöhen.
  • 5 zeigt ein Diagramm der Donatorenverteilung in einer vorbestimmten Eindringtiefe des Wafers nach Bestrahlung mit dem in 4 dargestellten Verfahren mit einer Implantationsenergie von 400 keV und 90° Einfallswinkel zur Hauptfläche des Wafers.
  • Aus der DE 10 2005 007 599 B3 oder DE 10239312 B4 oder DE 10 2004 012 818 B3 oder DE 10 2004 030 573 A1 oder WO 2007/085387 A1 oder US 2004/0266156 A1 sind Verfahren zur Erzeugung ungestörter, in Tiefensrichtung des Substrats verbreiterter Implantationszonen bzw. entsprechende Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit verbreiterter Feldstoppzone bekannt.
  • Weitere Verfahren zur Erzeugung von Implantationszonen sind aus den Druckschriften DE 10 2006 002 903 A1 , DE 10 2005 061 820 A1 und DE 10 2004 047 749 A1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer Implantationszone und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Feldstoppzone anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2 gelöst. Hierbei wird mittels Teilchenstrahlung eine Implantationszone in einer vorbestimmten Eindringtiefe, ausgehend von einer Hauptoberfläche des Substrats, ausgebildet, wobei durch aufeinander abgestimmte Erhöhung der Strahlungsenergie des Teilchenstrahls und der durchstrahlten Weglänge bis zu einem Haupt-Donatorpeak eine in der vorbestimmten Eindringtiefe weitgehend ungestörte Implantationszone erzeugt wird, die gegenüber einer in derselben Eindringtiefe mittels senkrechter Bestrahlung erzeugten Implantationszone vertikal zur Hauptoberfläche des Wafers wesentlich verbreitert ist.
  • Die Erfindung sieht vor, dass die Teilchenstrahlen eine Implantationsenergie aufweisen, die dazu geeignet ist, eine Implantationszone in einer gegenüber dem vorbestimmten Wert größeren Eindringtiefe zu erzeugen, wobei anschließend der die vorbestimmte Eindringtiefe übersteigende Teil der Dicke des Wafers auf der Hauptoberfläche abgetragen wird. Dadurch wird erreicht, dass die Feldstoppzone durch die erhöhte Implantationsenergie der Protonenstrahlen und die daraus resultierenden Streuungseffekte verbreitert wird und nach Abtragung des Wafermaterials dieselben Eindringtiefe hat, wie sie bei einer Bestrahlung mit geringerer Implantationsenergie erzielt wird.
  • Die Bestrahlung kann hierbei in üblicher Weise senkrecht zur Waferoberfläche ausgeführt werden; das beschriebene Vorgehen kann aber auch mit einer Bestrahlung außerhalb der Flächennormalen kombiniert sein. In ähnlicher Weise kann auch eine Bedeckung der Halbleiteroberfläche mit einer Absorptionsfolie entweder mit senkrechter Bestrahlungsrichtung der Teilchenstrahlung realisiert werden oder mit einem zur Halbleiteroberfläche geneigten Strahlungseinfall kombiniert sein.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
  • 1 ein Beispiel eines herkömmlichen PT-IGBT;
  • 2 ein Beispiel eines herkömmlichen NPT-IGBT;
  • 3 ein Beispiel eines herkömmlichen FS-IGBT;
  • 4 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe;
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung der Protonenverteilung der Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe nach einer herkömmlichen senkrechten Bestrahlung;
  • 6 eine schematische Darstellung eines nicht anspruchsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe;
  • 7 ein Diagramm zur Darstellung der Protonenverteilung der Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe nach Bestrahlung mit einem von 90° verschiedenen Einfallswinkel;
  • 8 eine schematische Darstellung eines nicht anspruchsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe mit einem von 90° verschiedenen Einfallswinkel; und
  • 9 eine schematische Darstellung eines nicht anspruchsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe mit einem Einfallswinkel von 90°;
  • 10 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe mit einem von 90° verschiedenen Einfallswinkel; und
  • 11 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe mit einem Einfallswinkel von 90°.
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
  • Das in 6 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel des nicht anspruchsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer weitgehend ungestörten und verbreiterten Feldstoppzone 27 zeigt einen Wafer 28, der mit Protonenstrahlen 29 mit einem von 90° verschiedenen Einfallswinkel 30 bestrahlt wird. Aufgrund des von 90° verschiedenen Einfallswinkels 30 ist die zu durchstrahlende Weglänge bis zur vorbestimmten Eindringtiefe 31 erhöht, wodurch Protonenstrahlen 29 mit höheren Implantationsenergien erforderlich sind, um die Feldstoppzone in gleicher Tiefe wie bei einer 90°-Bestrahlung zu erzeugen. Dadurch ist auch die Streuung der Protonenverteilung, die vertikal und lateral zur Bestrahlungsrichtung auftritt, deutlich höher als bei einer senkrechten Protonenimplantation. Zusätzlich wird die Tiefenverteilung der Donatoren dadurch verbreitert, dass bei einem Einfallswinkel, der von 90° verschieden ist, die Streuung der Protonen quer zur Implantationsrichtung (”lateral straggling”) mit in die Tiefenverteilung der Donatoren eingeht.
  • Alternativ wird, bei dem in 6 dargestellten Verfahren, die Protonenbestrahlung nacheinander bei Einfallswinkeln von z. B. 20°, 40°, 60° und 80° mit jeweils zur Erreichung der Eindringtiefe ausreichenden Bestrahlungsenergien durchgeführt, was in einem stark verbreiterten und annähernd kontinuierlichen Dotierungsprofil der Feldstoppzone 27 resultiert.
  • Das zusätzlich für die Verbreiterung der Tiefenverteilung der Donatoren verantwortliche ”lateral straggling” (Streuung quer zur Implantationsrichtung) ist z. B. bei einer Protonenimplantation in Silizium im Energiebereich von 100 keV bis 1 meV deutlich größer als das ”longitudinal straggling” (Streuung längs der Implantationsrichtung).
  • Die in 6 dargestellten Protonenstrahlen 29 mit einem Einfallswinkel 30 von z. B. 45° verdeutlichen, dass auf der Hauptfläche des Wafers 28 befindliche Partikel 32 nicht nur unterstrahlt, sondern durch die höheren Implantations-Energien auch durchstrahlt werden, wodurch ”Löcher” in der Feldstoppzone 27 vermieden werden. Aufgrund der erwähnten lateralen und vertikalen Streuungen bleibt zwar in der Feldstoppzone 27 eine gewisse Welligkeit erhalten die jedoch umso geringer wird, je spitzer der Einfallwinkel 30 gegenüber der Hauptfläche des Wafers 28 ist und je höher somit die Bestrahlungsenergie gewählt werden muss.
  • 7 zeigt hierbei ein Diagramm der Donatorenverteilung in der vorbestimmten Eindringtiefe 31 des Wafers 28 nach Bestrahlung mit dem in 6 dargestellten Verfahren mit einem Einfallswinkel von 45°. Gegenüber dem in 5 dargestellten Diagramm ist eine deutliche Verbreiterung der Feldstoppzone 27 zu erkennen.
  • 8 und 9 zeigen ein weiteres nicht anspruchsgemäßes Beispiel zur Erhöhung der von den Protonenstrahlen 33 zu durchdringenden Weglänge, wobei eine z. B. aus Silizium oder einem Metall bestehende Absorberfolie 34 auf der Hauptfläche des Wafers 35 angeordnet ist. Durch die Absorberfolie 34 und die dadurch notwendigen höheren Implantationsenergien der Protonenstrahlen 33 wird zumindest der in der vorbestimmten Eindringtiefe 36 des Wafers 35 nächstgelegene Bestrahlungs-”Peak der Feldstoppzone 37 verbreitert und Oberflächen-Partikel 38 durchstrahlt und/oder unterstrahlt. Der Einfallswinkel 39 kann hierbei senkrecht zur Hauptfläche des Wafers 35 oder von 90° verschieden sein. Nach Erzeugung der Feldstoppzone 37 wird die Absorptionsfolie 34 vom Wafer entfernt.
  • Die Erfindung besteht darin, wie in 10 und 11 dargestellt, mit erhöhter Implantationsenergie in eine größere Eindringtiefe 40 einzustrahlen, um somit die Partikel 41 mit Protonenstrahlen 42 höherer Energie zu durchstrahlen und gleichzeitig eine ungestörte Feldstoppzone 43 mit möglichst geringer Welligkeit zu erzeugen, wobei anschließend ein Teil der Hauptfläche des Wafers 44, z. B. mittels Ätzung, abgetragen wird und somit die vorbestimmte Eindringtiefe 45 zur Feldstoppzone 43 hergestellt wird. Der Einfallswinkel 46 kann hierbei senkrecht zur Hauptfläche des Wafers oder auch von 90° verschieden sein.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Erzeugung einer Implantationszone in einem Halbleitersubstrat (28, 35, 44), wobei in einem Schritt der Bestrahlung des Halbleitersubstrats mit einem Protonenstrahl zur Protonenimplantation (29, 33, 42) die Implantationszone (27, 37, 43) in einer vorbestimmten Eindringtiefe (31, 36, 45), ausgehend von einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (28, 35, 44), ausgebildet wird, indem durch aufeinander abgestimmte Erhöhung der Strahlungsenergie des Protonenstrahls und Erhöhung der durchstrahlten Weglänge bis zu einem Haupt-Implantationspeak eine in der vorbestimmten Eindringtiefe ungestörte Implantationszone erzeugt wird, die gegenüber einer in derselben Eindringtiefe mit nicht erhöhter Strahlungsenergie und Weglänge erzeugten Implantationszone in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats verbreitert ist, wobei die Implantationszone (27, 37, 43) in einer gegenüber der vorbestimmten Eindringtiefe (31, 36, 45) größeren Eindringtiefe erzeugt und wobei anschließend der die vorbestimmte Eindringtiefe (31, 36, 45) übersteigende Teil der Dicke des Substrats (28, 35, 44) auf der Hauptoberfläche abgetragen wird.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, die ein Halbleitersubstrat (28, 35, 44) mit mindestens einer Feldstoppzone (27, 37, 43) umfasst, wobei in einem Schritt der Bestrahlung des Halbleitersubstrats mit einem Teilchenstrahl (29, 33, 42) die Feldstoppzone in einer vorbestimmten Eindringtiefe (31, 36, 45), ausgehend von einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, ausgebildet wird, indem durch auf einander abgestimmte Erhöhung der Strahlungsenergie des Teilchenstrahls und Erhöhung der durchstrahlten Weglänge bis zu einem Haupt-Implantationspeak eine in der vorbestimmten Eindringtiefe ungestörte Implantationszone erzeugt wird, die gegenüber einer in derselben Eindringtiefe mit nicht erhöhter Strahlungsenergie und Weglänge erzeugten Feldstopzone in Tiefenrichtung des Halbleitersubstrats verbreitert ist, wobei die Implantationszone (27, 37, 43) in einer gegenüber der vorbestimmten Eindringtiefe (31, 36, 45) größeren Eindringtiefe erzeugt und wobei anschließend der die vorbestimmte Eindringtiefe (31, 36, 45) übersteigende Teil der Dicke des Substrats (28, 35, 44) auf der Hauptoberfläche abgetragen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei als Teilchenstrahl ein Protonenstrahl zur Protonenimplantation eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt der Bestrahlung des Substrats ein Ausheilschritt bei einer Temperatur unterhalb von 500°C ausgeführt wird, in dessen Ergebnis sich ein Haupt-Donatorpeak in einer vorbestimmten Eindringtiefe ausbildet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in weiteren Bestrahlungsschritten mit dem Protonen- oder Teilchenstrahl neben dem Haupt-Implantationspeak Neben-Implantationspeaks erzeugt werden, die weiter von der durchstrahlten Oberfläche entfernt sind als der Haupt-Peak, wobei der oder ein anderer Protonen- oder Teilchenstrahl mit anderer Strahlungsenergie und/oder anderer durchstrahlter Weglänge gegenüber dem Schritt der Erzeugung des Haupt-Implantationspeaks verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Neben-Implantationspeaks mit geringerer Störstellenkonzentration gegenüber dem Haupt-Implantationspeak erzeugt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mindestens ein Neben-Implantationspeak mit höherer Störstellenkonzentration als der Haupt-Implantationspeak erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei zur Herstellung einer Halbleiterdiode, oder eines IGBTs mindestens eine von mehreren dotierten Halbleiterschichten als verbreiterte Feldstoppzone erzeugt wird.
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