DE102007036147A1 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers mit einer Rekombinationszone, Halbleiterbauelement mit einer Rekombinationszone und Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers mit einer Rekombinationszone, Halbleiterbauelement mit einer Rekombinationszone und Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

In einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers werden Fremdstoffe, die in dem Halbleiterkörper als Rekombinationszentren wirken und eine Rekombinationszone ausbilden, während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper eingebracht. Bei einem Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit einer vorderen Oberfläche und einer gegenüberliegenden hinteren Oberfläche aufweist sowie eine durch Fremdstoffe gebildete Rekombinationszone zwischen der vorderen und der hinteren Oberfläche aufweist, wobei die Fremdstoffe als Rekombinationszentren wirken, ist die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche des Halbleiterkörpers genauso groß wie die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche eines gleichen Halbleiterkörpers ohne Rekombinationszone.

Description

  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers mit einer Rekombinationszone, auf ein Halbleiterbauelement mit einer Rekombinationszone und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Halbleiterbauelements.
  • Unter Rekombination versteht man die Wiedervereinigung von Elektron-Loch-Paaren. Im Silizium verlaufen Rekombinationen im Allgemeinen über Rekombinationszentren. Hierbei handelt es sich um Verunreinigungen des Halbleitermaterials, die eine Störstelle darstellen. Energetisch gesehen liegen diese Störstellen im verbotenen Band.
  • Für manche schnell schaltende Anwendungen ist es wünschenswert, eine deutlich reduzierte Trägerlebensdauer im Halbleiterkörper, insbesondere in der Driftzone bei Leistungshalbleiterbauelementen, wie zum Beispiel einem IGBT oder einer schnellen Freilaufdiode, zu realisieren. Dies ermöglicht zum Beispiel eine Reduzierung des Rückstroms und der Abschaltverluste.
  • Bisher bekannte Möglichkeiten die Trägerlebensdauer in solchen Halbleiterbauelementen zu reduzieren, bestehen darin, die Halbleiterbauelemente einer Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen, auszusetzen, die eine Schädigung des Kristallgitters und damit die Erzeugung von Rekombinationszentren bewirken. Eine andere Möglichkeit ist die Eindiffusion von Schwermetallen, wie zum Beispiel Platin oder Gold, von der Scheibenvorderseite.
  • Derartige Verfahren sind zum Beispiel in „Power Semiconductor Devices", B. J. Baliga, PWS Publishing Company, Boston (1995), Kapitel 2.3.4, Seite 55ff. beschrieben.
  • In beiden Varianten wird jedoch die Vorderseite, insbesondere ein daran befindliches Gateoxid, durch die vorderseitige Bestrahlung bzw. durch die Diffusion von der Vorderseite aus negativ beeinflusst. So kann zum Beispiel eine unerwünschte Verschiebung der Einsatzspannung oder auch eine Instabilität der elektrischen Eigenschaften auftreten.
  • Ausführungsbeispiele behandeln im Folgenden eine Rekombinationszone in einem Halbleiterkörper, die keine negativen Oberflächenbeeinflussungen aufweist.
  • Ausführungsformen dazu beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers, bei dem Fremdstoffe, die in dem Halbleiterkörper als Rekombinationszentren wirken und eine Rekombinationszone ausbilden, während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers in den Halbleiterkörper eingebracht werden.
  • Weiterhin beziehen sich Ausführungsformen auf ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit einer vorderen Oberfläche und einer gegenüberliegenden hinteren Oberfläche aufweist, sowie eine durch Fremdstoffe gebildete Rekombinationszone zwischen der vorderen und der hinteren Oberfläche, wobei die Fremdstoffe als Rekombinationszentren wirken und wobei die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche des Halbleiterkörpers genauso groß ist wie die Oberflächenzustandsdichte an einer vorderen und hinteren Oberfläche eines gleichen Halbleiterkörpers ohne Rekombinationszone.
  • Im Speziellen beziehen sich Ausführungsformen auf Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, bei dem ein Halbleiterkörper nach dem oben genannten Verfahren hergestellt wird, eine Vielzahl von Halbleiterbauelementstrukturen in dem Halbleiterkörper ausgebildet werden und der Halbleiterkörper so durchtrennt wird, dass einzelne Halbleiterbauelemente entstehen.
  • Durch die Einbringung der Fremdstoffe während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers wird eine negative Beeinflussung der Oberflächen vermieden, weil die Fremdstoffe mit den Oberflächen des Halbleiterkörpers nicht in Berührung kommen. Als Maß für eine unbeeinflusste Oberfläche eignet sich die Oberflächenzustandsdichte, die bei vorhandener Rekombinationszone in einem Halbleiterbauelement nicht höher sein sollte, als bei einem Halbleiterbauelement, bei dem keine Rekombinationszone vorhanden ist.
  • In der Regel werden viele Halbleiterbauelemente mit einer Halbleiterscheibe, einem sogenannten Wafer, gefertigt. Wird die Rekombinationszone großflächig in einem solchen Wafer ausgebildet, können durch Vereinzelungen dieses Halbleiterwafers in effektiver Form eine große Anzahl von Halbleiterbauelementen mit Rekombinationszonen gefertigt werden, ohne dass die Rekombinationszonen einen negativen Einfluss auf die kritischen Oberflächen der Halbleiterbauelemente ausüben.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
  • Bevor im Folgenden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Es zeigt:
  • 1 Schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterkörpers mit Rekombinationszone.
  • 2 Schematische Querschnittsansicht eines zweistufig hergestellten Halbleiterkörpers mit Rekombinationszone.
  • 3 Schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterkörpers mit zwei Rekombinationszonen.
  • 4 Schematische Querschnittsansicht eines IGBT mit Rekombinationszone.
  • 5 Schematische Querschnittsansicht eines IGBT mit Feldstoppschicht und Rekombinationszone.
  • 6 Schematische Querschnittsansicht einer Leistungsdiode mit Rekombinationszone.
  • 7 Schematische Querschnittsansicht eines IGBT mit rückwärtsleitender Diode und einer Rekombinationszone.
  • 8 Schematische Querschnittsansicht einer Superjunction-MOSFET mit zwei Rekombinationszonen.
  • 9 Schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterbauteils mit zwei Halbleiterbauelementen und einer Rekombinationszone.
  • 10 Schematische Querschnittsansicht eines Herstellungsschrittes von lateral beabstandeten Rekombinationszonen in einem Halbleiterkörper.
  • 11 Schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterkörpers mit zwei Rekombinationszonen, die unterschiedliche Trägerlebensdauer aufweisen.
  • In 1 ist in einer allgemeinen Form ein Halbleiterkörper 1 dargestellt, bei dem Fremdstoffe 2, die in dem Halbleiterkörper 1 als Rekombinationszentren wirken und eine Rekombinationszone 3 ausbilden, eingebracht sind. Die Fremdstoffe werden während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers 1 eingebracht.
  • Die Fremdstoffe 2 sind lokal begrenzt in dem Halbleiterkörper 2 eingebracht. Außerdem sind die Fremdstoffe 2 derart in den Halbleiterkörper 1 eingebracht, dass eine Ausdiffusion der Fremdstoffe aus dem Halbleiterkörper in nachfolgenden Prozessschritten unterbleibt. Dadurch wird eine störende Kontamination von Fertigungseinrichtungen mit den Fremdstoffen 2 vermieden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Fremdstoffe 2 von den Oberflächen 4 des Halbleiterkörpers 1 beabstandet in den Halbleiterkörper 1 eingebracht werden.
  • Als Fremdstoffe 2 werden beispielsweise Schwermetalle, insbesondere Wolfram oder Tantal, verwendet. Die Diffusionskonstante dieser Fremdstoffe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere so gewählt, dass die Diffusion in vertikaler Wafer-Richtung langsamer ist als die Wachstumsgeschwindigkeit der Epitaxieschicht bzw. dass die Diffusion dieser Fremdstoffe so langsam ist, dass die Diffusion dieser Fremdstoffe bis an die Halbleiteroberfläche vermieden wird. Die verwendeten Fremdstoffe 2 weisen beispielsweise eine Diffusionskonstante < 10–13 cm2/s, insbesondere eine Diffusionskon stante < 10–14 cm2/s bei einer Temperatur von 1000°C in dem Halbleiterkörper auf.
  • In 2 ist ein spezielles Verfahren zu Herstellung des Halbleiterkörpers 1 in einem zweistufigen Prozess dargestellt. Dabei umfasst der Herstellprozess, wie in 2a dargestellt, das Bereitstellen eines ersten Teils 1' des Halbleiterkörpers 1. In diesem ersten Teil 1' werden die Fremdstoffe 2 eingebracht. Dies geschieht beispielsweise durch maskierte Implantation der Fremdstoffe 2, insbesondere durch eine derart tiefe Implantation, dass eine Freisetzung der Fremdstoffe 2 durch Ausdiffusion aus dem Halbleiterkörper 1 während des nachfolgenden Schrittes des Erzeugens eines zweiten Teils 1'' des Halbleiterkörpers unterbleibt. Die Maskierung der Implantation kann z. B. mittels einer strukturierten Lackschicht erfolgen.
  • 2b zeigt den auf dem ersten Teil 1' erzeugten zweiten Teil 1'', wobei der erste Teil 1' und der zweite Teil 1'' zusammen den Halbleiterkörper 1 ausbilden.
  • Der zweite Teil 1'' wird beispielsweise epitaktisch auf dem ersten Teil 1' des Halbleiterkörpers 1 erzeugt. Dabei können in einer Ausführungsform die Fremdstoffe 2 auch während der Erzeugung des zweiten Teils 1'' des Halbleiterkörpers 1 in den Teil 1'' durch Diffusion aus dem Teil 1' eingebracht werden.
  • Die Fremdstoffe 2 diffundieren aufgrund von hohen Temperaturen in nachfolgenden Prozessschritten in dem Halbleiterkörper 1 und bilden eine Rekombinationszone 3 aus.
  • Wie in 2b gezeigt, ist die Rekombinationszone gegenüber der ursprünglichen Einbringungszone der Fremdstoffe 2 vergrößert. Durch geeignete Wahl der Fremdstoffe, insbesondere hinsichtlich der Diffusionskonstante, bleibt die Rekombinationszone aber jederzeit von den Oberflächen 4 des Halb leiterkörpers 1 beabstandet, wodurch eine Ausdiffusion aus dem Halbleiterkörper 1 und eine Beeinflussung der Oberflächen 4 des Halbleiterkörpers 1 unterbleibt. Insbesondere sollten Fremdstoffe mit einer während des Epitaxieprozesses geringeren Diffusionsgeschwindigkeit wie die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktischen Schicht gewählt werden.
  • In 3 ist eine Weiterbildung des zu 1 und 2 beschriebenen Herstellprozesses dargestellt. Dabei werden die Verfahrensschritte der Halbleiterkörperherstellung mindestens einmal wiederholt. Den ersten Teil 1' bildet somit eine bereits einmal durchlaufene Prozessfolge, wie sie zu 2 beschrieben ist, aus. Der zu 2 beschriebene Halbleiterkörper 1 mit der Rekombinationszone 3 ist somit erster Teil 1' des Halbleiterkörpers beim Wiederholen der Verfahrensschritte. Auf die Oberfläche 5 dieses neuen ersten Teils 1' des Halbleiterkörpers wird dann der zweite Teil 1'' des Halbleiterkörpers und eine weitere Rekombinationszone 3 erzeugt. Dies kann sooft wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke des Halbleiterkörpers 1 und die gewünschte Anzahl der Rekombinationszonen 3 erreicht ist. Dadurch lässt sich eine lokale Verteilung der Rekombinationszonen 3 und somit auch der Trägerlebensdauer in Vertikalrichtung des Halbleiterkörpers 1 einstellen.
  • Halbleiterbauelemente werden normalerweise in einer Vielzahl in einer Halbleiterscheibe, einem sogenannten Wafer, hergestellt, um somit möglichst effektiv viele Halbleiterbauelemente in einer Prozessfolge erzeugen zu können.
  • Halbleiterbauelemente mit einer Rekombinationszone können unter Verwendung des vorher beschriebenen Verfahrens hergestellt werden, in dem als Halbleiterkörper 1 ein Wafer verwendet wird.
  • Der Wafer wird also mit den Verfahrensschritten des anhand der 1 bis 3 näher erläuterten Verfahrens mit einer Rekombinationszone 3 erzeugt. Außerdem werden in und an dem Wafer eine Vielzahl von Halbleiterbauelementstrukturen ausgebildet und schließlich der Wafer so durchtrennt, dass einzelne Halbleiterbauelemente entstehen. Desweiteren kann die Implantation der Fremdstoffe (2) im Randbereich der Halbleiterscheibe derart maskiert werden, dass der laterale Abstand der implantierten Schicht zum Rand der Halbleiterscheibe so bemessen ist, dass die implantierten Fremdstoffe (2) während den der Implantation nachfolgenden Hochtemperaturschritten nicht bis zum Scheibenrand hin diffundieren können.
  • Halbleiterbauelemente die nach dieser Methode erzeugt wurden, werden im Folgenden beispielhaft beschrieben.
  • Allen Halbleiterbauelementen gemein ist dabei, dass ein Halbleiterkörper 10 eine vordere Oberfläche 40 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche 41 aufweist. Außerdem weist der Halbleiterkörper 10 eine durch Fremdstoffe 2 gebildete Rekombinationszone 3 zwischen der vorderen und der hinteren Oberfläche 40, 41 auf, wobei die Fremdstoffe 2 als Rekombinationszentren wirken und wobei die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche 40, 41 des Halbleiterkörpers 10 genauso groß ist, als die Oberflächenzustandsdichte an einer vorderen und hinteren Oberfläche eines gleichen Halbleiterkörpers ohne Rekombinationszone 3.
  • Dies bedeutet, dass die Rekombinationszone 3 keinen Einfluss auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers hat.
  • In 4 ist in schematischer Weise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) als Beispiel eines Halbleiterbauelements dargestellt.
  • Der IGBT 30 weist einen Halbleiterkörper 10 auf, der aus einem ersten Teil 10' und einem zweiten Teil 10'' zusammengesetzt ist.
  • Der erste Teil 10' des Halbleiterkörpers 10 wird durch ein hochdotiertes p+-Substat 15 gebildet, der zweite Teil 10'' ist eine auf dem p+-Substrat 15 erzeugte Epitaxieschicht 16.
  • Eine Rekombinationszone 3 erstreckt sich über eine Oberfläche 5 des ersten Teils 10' hinweg in den zweiten Teil 10'' des Halbleiterkörpers 10, wobei sich ein kleinerer Teil der Rekombinationszone 3 in dem ersten Teil 10' und ein größerer Teil der Rekombinationszone 3 in dem zweiten Teil 10'' des Halbleiterkörpers 10 befindet. Diese Verteilung lässt sich z. B. mittels der in 3 beschriebenen mehrstufigen Epitaxie und Fremdstoffeinbringung erzeugen, wobei die Rekombinationszonen 3 durch Diffusionsprozesse in eine in vertikaler Richtung ausgedehntere Rekombinationszone umgewandelt werden. Bei einem zweistufigen Prozeß gemäß 2 ist die vertikale Ausdehnung der Rekombinationszone 3 in dem ersten Teil 10' gemäß der Implantationstiefe um etwa die doppelte Implantationstiefe größer als in der Zone 10''.
  • Die Epitaxieschicht 16 weist an einer vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 erste Dotierstoffgebiete 20 als Source und zweite Dotierstoffgebiete 21 als Body eines Feldeffekttransistors auf. Angrenzend zu dem p-dotierten Bodygebiet 21 und von der Epitaxieschicht 16 durch ein Gateoxid 23 isoliert, befindet sich in einem Graben, der sich von einer Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 in den Halbleiterkörper 10 hineinerstreckt, eine Gateelektrode 22.
  • Die Gateelektrode 22 erlaubt die Ausbildung eines leitenden Kanals in dem Bodygebiet 21 zwischen dem n+-dotierten Sourcegebiet 20 und einer niedrig n-dotierten Driftstrecke 6 der Epitaxieschicht 16.
  • An der vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 befindet sich eine Isolationsschicht 24, die Ausnehmungen für eine erste Elektrode 7 zur Kontaktierung der Source- und Bodygebiete 20, 21 aufweist. Die Bodygebiete 21 werden dabei über eine hochdotierte Bodyanschlusszone 21' in dem Bodygebiet 21 kontaktiert.
  • An einer hinteren Oberfläche 41 des Halbleiterkörpers 10 ist eine zweite Elektrode zum elektrischen Anschluss des p+-Substrats 15 angebracht.
  • Die Rekombinationszone 3 des IGBT 30 ist von der vorderen Oberfläche 40 und insbesondere auch von der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 zum Gateoxid 23 beabstandet, so dass eine negative Beeinflussung bezüglich der Einsatzspannung des Feldeffekttransistors vermieden wird.
  • 5 zeigt einen zu 4 leicht abgeänderten IGBT 31, der zusätzlich eine Feldstoppzone 9 aufweist. Der erste Teil 10' des Halbleiterkörpers 10 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das p+-Substrat 15 und die Feldstoppzone 9 gebildet. Die Feldstoppzone 9 ist dabei eine auf dem p+-Substrat 15 epitaktisch erzeugte n-dotierte Schicht. Die Rekombinationszone 3 erstreckt sich über die Oberfläche 5 des ersten Teils 10' des Halbleiterkörpers 10 hinweg in den zweiten Teil 10'' des Halbleiterkörpers 10. Ansonsten entspricht der Aufbau des IGBTs 31 dem Ausführungsbeispiel des IGBT 30 aus 4.
  • Die Rekombinationszone 3 wird in dem Ausführungsbeispiel zu 5 durch Implantation von Fremdstoffen 2 in die Feldstoppzone 9 mit nachfolgender Diffusion erzeugt. Die Diffusion findet dabei zumindest teilweise während der weiteren epitaktischen Abscheidung des zweiten Teils 10'' des Halbleiterkörpers 10 in Richtung zum p+-Substrat 15 als auch in den zweiten Teil 10'' des Halbleiterkörpers 10 statt.
  • Die Feldstoppzone 9 hat gegenüber der niedrig n-dotierten Driftstrecke 6 eine höhere Dotierung. Die Dotierstoffkonzentration der Feldstoppzone 9 liegt im Bereich von einmal 1015 cm–3 bis einmal 1018 cm–3. Die Feldstoppzone 9 hat eine Dicke im Bereich von 1 μm bis 30 μm.
  • 6 stellt eine Diode 32 als weiteres Beispiel eines Halbleiterbauelements mit Rekombinationszone dar. Die Diode 32 weist einen Halbleiterkörper 10 auf, der sich aus einer hochdotierten n+-Schicht 25, einer darauf angebrachten n-dotierten Feldstoppzone 9 und einer darauf angebrachten schwach n-dotierten Epitaxieschicht 16 mit einer darauf angebrachten weiteren Epitaxieschicht 16' zusammensetzt. An einer vorderen Oberfläche 40 der Diode ist in der weiteren schwach n-dotierten Epitaxieschicht 16' eine p-Wanne 26 eingebracht, die zusammen mit der n-dotierten weiteren Epitaxieschicht 16' einen pn-Übergang 27 bildet und somit eine Diode darstellt.
  • Die p-Wanne 26 wird durch eine erste Elektrode 7 (Anode) angeschlossen. Die erste Elektrode 7 ist auf einer Isolationsschicht 24 auf der vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 angebracht, wobei die Isolationsschicht 24 eine Ausnehmung über der p-Wanne 26 aufweist, und somit die erste Elektrode 7 (Anode) die p-Wanne 26 kontaktieren kann.
  • Auf einer hinteren Oberfläche 41 des Halbleiterkörpers 10 ist eine zweite Elektrode 8 (Kathode) zum elektrischen Anschluss der n+-Schicht 25 angebracht.
  • Die Rekombinationszone 3 befindet sich näher zur vorderen Oberfläche 40 als zur hinteren Oberfläche 41, ist aber von der vorderen Oberfläche 40 beabstandet.
  • Der pn-Übergang 27 befindet sich zumindest teilweise innerhalb der Rekombinationszone 3 und die Rekombinationszone 3 ist an dem Übergang zwischen Epitaxieschicht 16 und der weiteren Epitaxieschicht 16' angeordnet.
  • 7 zeigt einen rückwärtsleitenden IGBT 34, das heißt einen IGBT, in dem eine in entgegengesetzter Stromrichtung des IGBTs leitende Diode integriert ist, mit einer Rekombinati onszone 3 als weiterem Beispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
  • Der rückwärtsleitende IGBT 34 ist ähnlich aufgebaut wie der zu 5 beschriebene IGBT 32. Im Unterschied zum IGBT 32 in 5 weist der rückwärtsleitende IGBT 34 jedoch einen Halbleiterkörper 10 auf, der an der hinteren Oberfläche 41 zumindest ein zum p+-Substrat 15 entgegengesetzt dotiertes n+-Gebiet 28 in dem p+-Substrat 15 aufweist. Über diesen abwechselnd angeordneten p+ und n+-Gebieten an der hinteren Oberfläche 41 des Halbleiterkörpers 10 sind eine Feldstoppzone 9, eine Driftstrecke 6, sowie MOS-Feldeffekttransistorenstrukturen 20, 21, 22, 23 in üblicher Weise angebracht. Die in entgegengesetzter Stromrichtung des IGBTs leitende Diode wird durch den pn-Übergang 28 des Bodygebiets 21 mit der n-dotierten Driftstrecke 6 ausgebildet. Die Rekombinationszone 3 des rückwärtsleitenden IGBTs 34 ist an dem pn-Übergang 28 angeordnet, wobei die Rekombinationszone 3 beabstandet zum Gateoxid angeordnet ist.
  • 8 stellt als weiteres Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements mit Rekombinationszone 3 ein Leistungshalbleiterbauelement mit Kompensationsstrukturen dar. Solch ein Bauelement wird auch als Superjunction-MOSFET bezeichnet. Der Superjunction-MOSFET 36 in 8 weist einen Halbleiterkörper 10 auf, der aus einem mit n-Dotierstoff hochdotierten Substrat 45, einer darauf angebrachten n-dotierten Feldstoppzone 9 und einer auf der Feldstoppzone 9 angebrachten n-dotierten Epitaxieschicht 16 zusammengesetzt ist. Der Superjunction-MOSFET 36 ist in ein Zellenfeld 50 und in einen angrenzenden Randbereich 51 aufgeteilt. In dem Zellenfeld 50 befinden sich MOSFET Strukturen, wie zum Beispiel Source-Gebiete 20 und Bodygebiete 21.
  • Die n-dotierte Epitaxieschicht 16 ist mit p-dotierten Säulen 29 durchzogen. Im Randbereich 51 erstrecken sich diese Säulen 29 von der vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 bis zur Feldstoppzone 9, während im Zellenfeld 50 die Säulen sich vom Bodygebiet 21 zur Feldstoppzone 9 durch die Epitaxieschicht hindurch erstrecken.
  • Auf der vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 sind im Zellenfeld 50 in Isolationsgebieten 55 Gateelektroden 56 angeordnet, die zur Ausbildung eines Kanalgebiets in den Bodygebieten 21 zwischen den Source-Gebieten 20 und der Epitaxieschicht 16 geeignet sind.
  • Im Randbereich 51 ist eine Isolationsstruktur 57 mit darin angeordneten Feldplatten 58 auf der vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 angebracht.
  • Die Body-Gebiete 21 und Source-Gebiete 22 in dem Zellenfeld sind durch eine metallische erste Elektrode 7 elektrisch angeschlossen.
  • Auf der hinteren Oberfläche 41 des Halbleiterkörpers 10 ist eine zweite metallische Elektrode 8 angebracht.
  • Innerhalb des Superjunction-MOSFET sind zwei Rekombinationszonen 3 angeordnet, wobei sich eine Rekombinationszone 3 näher zur vorderen Oberfläche 40 des Halbleiterkörpers 10 unterhalb der Body-Gebiete 21 in der Epitaxieschicht 16 befindet, während die andere Rekombinationszone 3 sich näher zur hinteren Oberfläche 41 des Halbleiterkörpers 10 befindet und am Übergang zwischen Feldstoppzone 9 und Epitaxieschicht 16 angeordnet ist. Die Rekombinationszonen 3 sind dabei geeignet, die Speicherladung der Inversdiode des Superjunction-MOSFET 36 zu verringern.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt 9 eine Rekombinationszone 3 in einem Halbleiterbauelement in Smart-Power-Technologie, das heißt, das Halbleiterbauelement vereint mindestens zwei unterschiedliche Bauelementtypen, zum Beispiel einen Leistungstransistor 60 und ein Logikbauelement 70. Dabei kann der Leistungstransistor 60 beispielsweise ein DMOS sein, und das Logikbauelement 70 kann in CMOS-Technologie ausgebildete Transistoren enthalten.
  • Beide Bauelementtypen sind auf einem gemeinsamen p-Substrat 62, das sich aus einem hochdotierten ersten Teil 65 und einem darauf erzeugten schwachdotierten Teil 66 zusammensetzt, ausgebildet.
  • Die Rekombinationszone 3 ist innerhalb des p-Substrats 62 am Übergang zwischen dem ersten Teil 65 und dem zweiten Teil 66 angeordnet und verringert die Auswirkungen von in das p-Substrat 62 injizierten Ladungsträgern des einen Bauelements auf das andere Bauelement.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es, wenn die Rekombinationszone 3 lateral in mehrere Teilbereiche unterteilt ist, so dass die Rekombinationszone 3 mit niedriger Trägerlebensdauer nur in Teilen eines Halbleiterbauelements vorhanden ist. Solche Anordnungen sind zum Beispiel in 6 und 8 dargestellt, bei denen die Rekombinationszonen 3 so erzeugt wurden, dass sie eine lateral begrenzte Ausdehnung haben. So kann es zum Beispiel auch wünschenswert sein, wenn im Bereich des Randabschlusses eines sperrenden pn-Übergangs eines Halbleiterbauelements eine stärkere Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer als im Zellenfeld vorzusehen, um somit im dynamischen Betrieb erzeugte Überhöhungen der elektrischen Feldstärke zu reduzieren.
  • Eine Möglichkeit, eine solche lateral lokal begrenzte Rekombinationszone 3 herzustellen, ist anhand von 10 dargestellt. In einem ersten Teil 100' eines Halbleiterkörpers 100 werden durch eine lokal begrenzte Implantation der Fremdstoffe 2 lateral abgegrenzte Rekombinationszonen 3 erzeugt. Die lokal begrenzte Implantation erfolgt dabei durch eine Maske 110 mit einer Breite, die größer als das doppelte der späteren lateralen Diffusion der Fremdstoffe 2 ist. Die Fremdstoffe 2 werden somit in mehrere Teilabschnitte des Halbleiterkörpers eingebracht, so dass zwischen den Teilabschnitten Gebiete ohne Fremdstoffe verbleiben. Anschließend wird die Maske 110 entfernt, der Halbleiterkörper 100 in bereits beschriebener Weise durch Aufbringen eines zweiten Teils 102' fertig gestellt und die Rekombinationszone 3 ausgebildet.
  • Durch Verwendung einer Maske 110 mit Breiten, die kleiner als das doppelte der späteren lateralen Diffusion der Fremdstoffe ist, können zusammenhängende Gebiete mit einer weniger starken Trägerlebensdauerabsenkung als in homogen implantierten Gebieten erzeugt werden. Insbesondere können auf diese Weise in einem Schritt mehrere Gebiete mit unterschiedlich hoher Trägerlebensdauer erzeugt werden. Die nach der Implantation noch getrennten Gebiete diffundieren dabei später zusammen. Der Flächenanteil der von der Maske 110 maskierten Bereiche bestimmt die Ausdünnung der Konzentration der Fremdstoffe und damit der Trägerlebensdauerabsenkung.
  • Der in den jeweiligen Ausführungsbeispielen beschriebene Aufbau des Halbleiterkörpers und der darin ausgebildeten Dotierstoffgebiete soll nur exemplarisch zum Verständnis der Erfindung dienen und schränkt die Erfindung nicht ein. Insbesondere sind die gewählten Dotierstofftypen in den einzelnen Dotierstoffgebieten austauschbar. Außerdem können die Halbleiterbauelemente in lateraler, sowie in vertikaler Ausführungsform ohne Einschränkung der Erfindung ausgebildet werden.
    • 1; 10; 100
    Halbleiterkörper
    1'; 10'; 100'
    erster Teil des Halbleiterkörpers
    1''; 10''; 100''
    zweiter Teil des Halbleiterkörpers
    2
    Fremdstoffe
    3
    Rekombinationszone
    4
    Oberfläche des Halbleiterkörpers
    5
    Oberfläche des ersten Teils des Halbleiterkörpers
    6
    Driftstrecke
    7
    erste Elektrode
    8
    zweite Elektrode
    9
    Feldstoppzone
    15
    p+-Substrat
    16; 16'
    Epitaxieschicht
    25
    n+-Schicht
    26
    p-Wanne
    27, 28
    pn-Übergang
    29
    Säulen
    30, 31
    IGBT
    32
    Diode
    34
    rückwärtsleitender IGBT
    36
    Superjunction FET
    40
    vordere Oberfläche
    41
    hintere Oberfläche
    45
    n+-Substrat
    62
    p-Substrat
    65
    erster Teil
    66
    zweiter Teil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - „Power Semiconductor Devices", B. J. Baliga, PWS Publishing Company, Boston (1995), Kapitel 2.3.4, Seite 55ff. [0005]

Claims (29)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers (1, 10, 100), bei dem Fremdstoffe (2), die in dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) als Rekombinationszentren wirken und eine Rekombinationszone (3) ausbilden, während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers (1, 10, 100) in den Halbleiterkörper (1, 10, 100) eingebracht werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fremdstoffe (2) lokal begrenzt in den Halbleiterkörper (1, 10, 100) eingebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fremdstoffe (2) derart in den Halbleiterkörper (1, 10, 100) eingebracht werden, dass eine Ausdiffusion der Fremdstoffe (2) aus dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) in nachfolgenden Verfahrensschritten unterbleibt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, bei dem die Fremdstoffe (2) von den Oberflächen (4) des Halbleiterkörpers (1, 10, 100) beabstandet in den Halbleiterkörper eingebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, bei dem als Fremdstoffe (2) Schwermetalle in den Halbleiterkörper (1, 10, 100) eingebracht werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem Wolfram oder Tantal verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, bei dem die Fremdstoffe (2) eine Diffusionskonstante < 10–13 cm2/s bei 1000°C in dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) aufweisen.
  8. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, bei dem die Fremdstoffe (2) eine Diffusionskonstante < 10–14 cm2/s bei 1000°C in dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) aufweisen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, bei dem das Herstellungsverfahren ein Bereitstellen eines ersten Teils (1', 10', 100') des Halbleiterkörpers und ein Erzeugen eines zweiten Teils (1'', 10'', 100'') des Halbleiterkörpers auf dem ersten Teil (1', 10', 100') umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Fremdstoffe (2) in den ersten Teil (1', 10', 100') des Halbleiterkörpers eingebracht werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Fremdstoffe (2) implantiert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Fremdstoffe (2) derart tief in den ersten Teil (1', 10', 100') eingebracht werden, dass eine Freisetzung der Fremdstoffe durch Ausdiffusion aus dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) während des nachfolgenden Schrittes des Erzeugens des zweiten Teils (1'', 10'', 100'') unterbleibt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der zweite Teil (1'', 10'', 100'') des Halbleiterkörpers epitaktisch erzeugt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Diffusionsgeschwindigkeit der eingebrachten Fremdstoffe (2) während des Epitaxieprozesses geringer ist als die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaktischen Schicht.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Implantation der Fremdstoffe (2) im Randbereich der Halbleiterscheibe derart maskiert wird, dass der laterale Abstand der implantierten Schicht zum Rand der Halbleiterscheibe so bemessen ist, dass die implantierten Fremdstoffe (2) während den der Implantation nachfolgenden Hochtemperaturschritten nicht bis zum Scheibenrand hin diffundieren können.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die Fremdstoffe (2) in mehrere Teilabschnitte des Halbleiterkörpers eingebracht werden, so dass zwischen den Teilabschnitten Gebiete ohne Fremdstoffe (2) verbleiben.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem die Verfahrensschritte mindestens einmal wiederholt werden.
  18. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, bei dem in dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) Halbleiterbauelementstrukturen (9,20, 21, 27, 28) mit einer Driftstrecke (6) zwischen einer ersten Elektrode (7) an einer ersten Oberfläche (40) des Halbleiterkörpers (1, 10, 100) und einer zweiten Elektrode (8) an einer zweiten Oberfläche (41) des Halbleiterkörpers (1, 10, 100) ausgebildet werden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Rekombinationszone (3) zumindest teilweise in der Driftstrecke (6) ausgebildet wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Rekombinatinszone (3) näher zur ersten Elektrode (7) als zur zweiten Elektrode (8) ausgebildet wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die Rekombinationszone (3) näher zur zweiten Elektrode (8) als zur ersten Elektrode (7) ausgebildet wird.
  22. Halbleiterbauelement (30, 31, 32, 34, 36), aufweisend einen Halbleiterkörper (1, 10, 100) mit einer vorderen Oberfläche (40) und einer gegenüberliegenden hinteren Oberfläche (41), sowie eine durch Fremdstoffe (2) gebildete Rekombinationszone (3) zwischen der vorderen und der hinteren Oberfläche (40, 41), wobei die Fremdstoffe (2) als Rekombinationszentren wirken, und wobei die Oberflächenzustandsdichte an der vorderen und hinteren Oberfläche (40, 41) des Halbleiterkörpers (1, 10, 100) genauso groß ist wie die Oberflächenzustandsdichte an einer vorderen und hinteren Oberfläche eines gleichen Halbleiterkörpers ohne Rekombinationszone.
  23. Halbleiterbauelement nach Anspruch 22, bei dem die Oberflächenzustandsdichte kleiner als 2·1011 cm–2 ist.
  24. Halbleiterbauelement nach Anspruch 22 oder 23, bei dem an einer vorderen und/oder hinteren Oberfläche (40, 41) des Halbleiterkörpers (1, 10, 100) eine Nichthalbleiterschicht (23, 24) angebracht ist.
  25. Halbleiterbauelement nach Anspruch 24, bei dem die Rekombinationszone (3) von der Oberfläche mit der Nichthalbleiterschicht (23, 24) beabstandet ist.
  26. Halbleiterbauelement nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die Nichthalbleiterschicht (23, 24) eine Isolationsschicht ist.
  27. Halbleiterbauelement nach Anspruch 26, bei der die Isolationsschicht (23, 24) eine Oxidschicht ist.
  28. Halbleiterbauelement nach Anspruch 27, bei dem die Oxidschicht (23) ein Gateoxid ist, das zwischen dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) und einer Gateelektrode (22) angeordnet ist.
  29. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements (30, 31, 32, 34, 36), bei dem ein Halbleiterkörper (1, 10, 100) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 hergestellt wird, eine Vielzahl von Halbleiterbauelementstrukturen (20, 21) in dem Halbleiterkörper (1, 10, 100) ausgebildet werden und der Halbleiterkörper (1, 10, 100) so durchtrennt wird, dass einzelne Halbleiterbauelemente (30, 31, 32, 34, 36) entstehen.
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