DE102014107161B4

DE102014107161B4 - Verfahren zur Herstellung eines IGBTs und IGBT

Info

Publication number: DE102014107161B4
Application number: DE102014107161.1A
Authority: DE
Inventors: Helmut Oefner; Carsten Schaeffer; Shuhai Liu; Hans-Joachim Schulze
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: DE102014107161A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines IGBTs (100), wobei das Verfahren aufweist:
- Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (40), die von einem gezogenen magnetischen Czochralski-Siliciumkristall (400) oder einem gezogenen Czochralski-Siliciumkristall (400) abgeschnitten ist, eine Hauptseite (101) und eine Rückseite (102) aufweist, die gegenüber der Hauptseite angeordnet ist, und eine Siliciumschicht (1) mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3, einer Kohlenstoffkonzentration von weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 und einer im Wesentlichen unveränderlichen Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 aufweist,
- Implantieren von Protonen von der Rückseite (102) in die Siliciumschicht (1), um eine bestrahlte Teilschicht (1b) in der Siliciumschicht (1) zu bilden; und
- thermisches Ausheilen nach dem Implantieren der Protonen, um wasserstoffbedingte flache Donatoren in der Teilschicht (1b) zu bilden, so dass die wasserstoffbedingten flachen Donatoren wenigstens einen Großteil der n-Dotanden in der Teilschicht (1b) bilden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines IGBTs, insbesondere eines Leistungs-IGBTs mit einer Feldstoppzone, und einen IGBT mit einer Feldstoppzone.
HINTERGRUND
Halbleiterbauelemente, insbesondere feldeffektgesteuerte Schaltbauelemente, wie beispielsweise ein Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET für engl. Junction Field Effect Transistor), ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET für engl. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) und ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT für engl. Insulated Gate Bipolar Transistor), wurden für verschiedene Anwendungen verwendet, welche die Verwendung als Schalter in Leistungsversorgungen und Leistungswandlern, Elektrofahrzeugen, Klimaanlagen und sogar Stereoanlagen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Solche Halbleiterbauelemente werden typischerweise auf Waferebene hergestellt. Mit zunehmender Wafer- bzw. Halbleiterscheibengröße sinken typischerweise die Herstellungskosten. Größere Silicium-Halbleiterscheiben, d. h. Silicium-Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von mindestens 12", sind derzeit nur als magnetische, nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtete Silicium-Halbleiterscheiben erhältlich. Silicium-Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 8" sind auch als nach dem Zonenschmelzverfahren gezüchtete Silicium-Halbleiterscheiben erhältlich, sind aber vergleichsweise teuer und können eine vergleichsweise große Widerstandsänderung aufgrund von Streifung (Striation) aufweisen.
Leistungs-IGBTs werden häufig als sogenannte Feldstopp-IGBTs implementiert, die einen hochdotierten Rückseiten-Emitter, der einen pn-Übergang mit einer Feldstoppzone bildet, eine angrenzende Driftzone einer niedrigeren Dotierungskonzentration als die Feldstoppzone und eine Mehrzahl von Feldeffektstrukturen aufweisen, die jeweils ein Bodygebiet aufweisen, das einen jeweiligen pn-Übergang mit der Driftzone bildet. Die Dotierung der Feldstoppzone wird derart gewählt, dass die Feldstoppzone als ein Stopp der Verarmungsschicht fungieren kann, die gebildet wird, wenn die pn-Übergänge zwischen den Bodygebieten und der Driftzone in einem Sperrmodus des IGBTs in Sperrrichtung gepolt sind.
Die Feldstoppzone kann durch Protonenbestrahlung und anschließendes Ausheilen (annealing) der Halbleiterscheibe gebildet werden. Bei Verwenden von nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Halbleiterscheiben kann jedoch die resultierende Dotierungskonzentration der Feldstoppzonen, welche die Bauelementeigenschaften beeinflusst, zwischen IGBTs einer Halbleiterscheibe und/oder zwischen IGBTs verschiedener Halbleiterscheiben variieren.
Aus der Druckschrift DE 10 2013 111 135 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements bekannt. Eine Siliziumschicht eines Wafers weist eine Stickstoffkonzentration von mindestens etwa 3*10¹⁴ cm^-3 auf. Stickstoff wird teilweise ausdiffundiert, um die Stickstoffkonzentration mindestens nahe einer Hauptoberfläche.
Aus der Druckschrift DE 10 2011 113 549 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dotierungsgebiets bekannt, bei dem ein Teilgebiet eines Halbleiterwafers mit einer Sauerstoffkonzentration von 1*10¹⁷ cm^-3 bis 5*10¹⁷ cm^-3 bereitgestellt und nachfolgend einer thermischen Behandlung zur Bildung von Sauerstoff/Leerstellen-Komplexen behandelt wird.
Die Druckschrift EP 2 159 828 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Wafers, bei dem von einem gezogenen Einkristall mit einer interstitiellen Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als 7,0*10¹⁷ Atomen/cm³ eine Waferrohling nach einer Neutronenimplantation abgetrennt und dann eine Getterschicht zum Entfernen von bulk micro defects aufgebracht wird.
Die Druckschrift US 2008 / 0 102 287 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Wafers, bei dem die interstitielle Sauerstoffkonzentration nicht mehr als 7,0*10¹⁷ Atomen/cm³ beträgt.
Die Druckschrift DE 11 2012 000 306 T5 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristallwafers, bei dem eine Wärmebehandlung im Hinblick auf einen Silizium-Einkristallwafer mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als 7 ppma und einer Stickstoffkonzentration von 1*10¹³ bis 1*10¹⁴ Atomen/cm³, der von einem Silizium-Einkristallblock mit einem V-Bereich erhalten wurde, welcher mittels des Czochralski-Verfahrens wachsen gelassen wurde, in einer Nichtnitrieratmosphäre bei 1150 bis 1300°C für 1 bis 120 Minuten durchgeführt wird.
Die Druckschrift US 2009 / 0 242 843 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung Wafers mit einer defektfreien Oberflächenregion durch eine kurzzeitige Temperaturbehandlung bei mindestens 1100°C.
Die Druckschrift DE 699 33 681 T2 beschreibt ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Wafern mit reduzierten Defekten durch Temperaturbehandlung.
Demgemäß besteht ein Bedarf an einer Verbesserung der Herstellung von Feldstopp-IGBTs, bei der nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtete Halbleiterscheiben verwendet werden.
KURZDARSTELLUNG
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 10, sowie ein IGBT nach Anspruch 15 vorgeschlagen.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines IGBTs, weist das Verfahren auf: Bereitstellen einer Halbleiterscheibe, die von einem gezogenen magnetischen Czochralski-Siliciumkristall oder einem gezogenen Czochralski-Siliciumkristall abgeschnitten ist, eine Hauptseite und eine Rückseite aufweist, die gegenüber der Hauptseite angeordnet ist, und eine Siliciumschicht mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3, einer Kohlenstoffkonzentration von weniger als 5*10¹⁷ cm^-3, und einer im Wesentlichen unveränderlichen Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 aufweist; Implantieren von Protonen in die Siliciumschicht von der Rückseite, um eine bestrahlte Teilschicht in der Siliciumschicht zu bilden; und thermisches Ausheilen nach dem Implantieren der Protonen, um wasserstoffbedingte flache Donatoren zu bilden, so dass die wasserstoffbedingten flachen Donatoren wenigstens einen Großteil von n-Dotanden in der Teilschicht bilden.
Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines IGBTs weist das Verfahren auf: Bereitstellen einer Halbleiterscheibe, die eine Siliciumschicht aufweist, die eine Hauptseite der Halbleiterscheibe bildet und eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3 und einer Kohlenstoffkonzentration von weniger als 5*10¹⁷ cm^-3 aufweist; Implantieren von Protonen in die Siliciumschicht, um eine bestrahlte Teilschicht in der Siliciumschicht zu bilden; und thermisches Ausheilen nach dem Implantieren der Protonen, um eine Konzentration von n-Dotanden in der Teilschicht zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform eines IGBTs weist der IGBT einen Silicium-Halbleiterkörper auf, der von einem gezogenen magnetischen Czochralski-Siliciumkristall oder einem gezogenen Czochralski-Siliciumkristall abgeschnitten ist und eine im Wesentlichen unveränderliche Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3, eine maximale Kohlenstoffkonzentration von weniger als etwa 5*10¹⁷ cm^-3, und eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3 aufweist, sich zwischen einer Rückfläche und einer Hauptfläche erstreckt und ein p-Kollektorgebiet, das an der Rückfläche angeordnet ist, ein Feldstoppgebiet, das wasserstoffbedingte flache Donatoren aufweist und einen pn-Übergang mit dem Kollektorgebiet bildet, und ein Driftgebiet aufweist, das an das Feldstoppgebiet angrenzt und eine Konzentration von Donatoren aufweist, die niedriger als eine Konzentration von Donatoren des Feldstoppgebiets ist.
Für Fachleute sind bei Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und Ansicht der beiliegenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile zu erkennen.
Figurenliste
Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, stattdessen ist der Akzent auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gesetzt.
Außerdem bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile. In den Zeichnungen veranschaulicht

1 einen vertikalen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines IGBTs gemäß einer Ausführungsform.
2 und 3 veranschaulichen vertikale Querschnitte durch einen Hableiterbody während Herstellungsschritten eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
4A und 4B veranschaulichen vertikale Donatorkonzentrationsprofile eines Silicium-Halbleiterkörpers gemäß Ausführungsformen.
5 veranschaulicht ein Donatorkonzentrationsprofil eines Silicium-Halbleiterkörpers gemäß Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil davon bilden und in welchen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsformen dargestellt werden, in welchen die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann. In dieser Hinsicht werden Richtungsbezeichnungen, wie beispielsweise „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorder-“, „hinter-“ usw. unter Bezugnahme auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl von verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, werden die Richtungsbezeichnungen lediglich zu Veranschaulichungszwecken verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Es versteht sich von selbst, dass andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert.
Es wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von welchen Beispiele in den Figuren veranschaulicht sind. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung bereitgestellt und ist nicht als Beschränkung der Erfindung zu verstehen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, bei oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikation und Abwandlungen umfasst. Die Beispiele werden unter Verwendung einer spezifischen Sprache beschrieben, welche jedoch nicht als den Schutzbereich der angehängten Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich Veranschaulichungszwecken. Der Klarheit halber wurden gleiche Elemente oder Herstellungsschritte in den verschiedenen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sofern nicht anders angegeben.
Der Begriff „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten oder Hauptfläche oder - seite eines Halbleitersubstrats oder -bodys ist. Dies kann zum Beispiel die Oberfläche einer Halbleiterscheibe (wafer) oder eines Siliciumplättchens sein.
Der Begriff „vertikal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll eine Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht auf die erste Oberfläche, d. h. parallel zur normalen Richtung der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -bodys ist.
In dieser Beschreibung ist eine zweite Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder Halbleiterkörpers so anzusehen, dass sie durch die Unter- oder Rückseite gebildet wird, während die erste Oberfläche so anzusehen ist, dass sie durch die Ober-, Vorder- oder Hauptseite des Halbleitersubstrats gebildet wird. Die Begriff „über“ und „unter“, wie in dieser Spezifikation verwendet, beschreiben daher eine relative Lage eines strukturellen Merkmals in Bezug auf ein anderes strukturelles Merkmal unter Berücksichtigung dieser Ausrichtung.
In dieser Beschreibung wird „n-dotiert“ als ein erster Leitfähigkeitstyp bezeichnet, während „p-dotiert“ als ein zweiter Leitfähigkeitstyp bezeichnet wird. Alternativ können Halbleiterbauelemente mit entgegengesetzten Dotierungsbeziehungen ausgebildet sein, derart dass der erste Leitfähigkeitstyp p-dotiert sein kann, und der zweite Leitfähigkeitstyp n-dotiert sein kann. Außerdem veranschaulichen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen durch die Angabe von „-“ oder „+“ neben dem Dotierungstyp. Zum Beispiel bedeutet „n^-“ eine Dotierungskonzentration, die geringer ist als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsgebiets ist, während ein „n⁺“-Dotierungsgebiet eine größere Dotierungskonzentration als das „n“-Dotierungsgebiet aufweist. Die Angabe der relativen Dotierungskonzentration bedeutet jedoch nicht, dass Dotierungsgebiete der gleichen relativen Dotierungskonzentration die gleiche absolute Dotierungskonzentration aufweisen müssen, sofern nicht anders angegeben. Zum Beispiel können zwei verschiedene n⁺-Dotierungsgebiete verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen aufweisen. Dasselbe gilt zum Beispiel für ein n⁺-Dotierungs- und ein p⁺-Dotierungsgebiet.
Spezifische Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, betreffen, ohne darauf beschränkt zu sein, IGBTs, insbesondere n-Kanal-Leistungs-IGBTs, und Herstellungsverfahren davon. Der IGBT ist typischerweise ein vertikales Halbleiterbauelement mit zwei Lastmetallisierungen, zum Beispiel einer Emittermetallisierung und einer Kollektormetallisierung, die einander gegenüber und in niederohmigem Kontakt in Bezug auf ein jeweiliges Kontaktgebiet des Halbleiterkörpers angeordnet sind.
Typischerweise weist der Leistungs-IGBT einen aktiven Bereich mit einer Mehrzahl von IGBT-Zellen zum Führen und/oder Steuern eines Laststroms zwischen zwei Lastmetallisierungen und einen Randbereich mit mindestens einer Kantenabschlussstruktur auf, die den aktiven Bereich wenigstens teilweise umgibt, wenn von oben betrachtet.
Der Begriff „Kantenabschlussstruktur“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll eine Struktur beschreiben, die in einem Sperrmodus des Halbleiterbauelements ein Übergangsgebiet bereitstellt, in welchem sich die hohen elektrischen Felder um einen aktiven Bereich des Halbleiterbauelements schrittweise in das Potenzial bei oder nahe der Kante des Bauelements und/oder zwischen einem Referenzpotenzial, wie beispielsweise Masse, und einer hohen Spannung, z. B. an der Kante und/oder Rückseite des Halbleiterbauelements, ändern. Die Kantenabschlussstruktur kann zum Beispiel die Feldintensität um ein Abschlussgebiet eines gleichrichtenden Übergangs durch Streuen der elektrischen Feldlinien über das Abschlussgebiet senken.
Der Begriff „Leistungs-Halbleiterbauelement“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll ein Halbleiterbauelement auf einem Einzelchip mit Hochspannungs- und Hochstrom-Schaltkapazitäten beschreiben. Mit anderen Worten sind Leistungs-Halbleiterbauelemente für hohen Strom, typischerweise im Bereich von 10 Ampere bis einige kA, bestimmt. Innerhalb dieser Beschreibung werden die Begriffe „Leistungs-Halbleiterbauelement“ und „Leistungs-Halbleiterkomponente“ synonym verwendet.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung sollen die Begriffe „in ohmschem Kontakt“, „in elektrischem Widerstandskontakt“ und „in elektrischer Widerstandsverbindung“ beschreiben, dass es wenigstens dann einen ohmschen Strompfad zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements gibt, wenn keine Spannungen oder nur niedrige Sondenspannungen an und/oder über das Halbleiterbauelement angelegt sind. Gleichermaßen sollen die Begriffe „in niederohmigem Kontakt“, „in niederohmigem elektrischem Kontakt“ und „in niederohmiger elektrischer Verbindung“ beschreiben, dass es wenigstens dann einen niederohmigen ohmschen Strompfad zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements gibt, wenn keine Spannungen und/oder über das Halbleiterbauelement angelegt sind. Innerhalb dieser Beschreibung werden die Begriffe „in niederohmigem Kontakt“, „in niederohmigem elektrischen Kontakt“, „elektrisch gekoppelt“ und „in niederohmiger elektrischer Verbindung“ synonym verwendet. In einigen Ausführungsformen steigt der spezifische Widerstand eines niederohmigen Strompfads zwischen jeweiligen Elementen oder Abschnitten eines Halbleiterbauelements, der niedrig ist, wenn niedrige Spannungen an und/oder über das Halbleiterbauelement, zum Beispiel eine Sondenspannung von einem Volt oder einigen Volts, angelegt werden, über eine Schwellenspannung an, wenn zum Beispiel ein Halbleitergebiet verarmt, das wenigstens einen Teil des Strompfades bildet.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff „Metalloxid-Halbleiter“ (MOS für engl. metal-oxide-semiconductor) so zu verstehen, dass er den allgemeineren Begriff „Metall-Isolator-Halbleiter“ (MIS für engl. metal-insulator-semiconductor) umfasst. Zum Beispiel ist der Begriff MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) so zu verstehen, dass er FETs mit einem Gate-Isolator umfasst, der kein Oxid ist, d. h. der Begriff MOSFET in der allgemeineren Begriffsbedeutung von IGFET (Feldeffekttransistor mit isolierter Gateelektrode) bzw. MISFET (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet wird.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Gateelektrode“ eine Elektrode beschreiben, die sich bei einem Kanalgebiet befindet und so ausgelegt ist, dass sie ein Kanalgebiet bildet und/oder steuert. Der Begriff „Gateelektrode“ umfasst eine Elektrode oder ein leitendes Gebiet, die/das bei dem und isoliert vom Bodygebiet durch ein isolierendes Gebiet angeordnet ist, das ein Gatedielektrikumgebiet bildet und so ausgelegt ist, dass es ein Kanalgebiet durch das Bodygebiet bildet und/oder durch Laden auf eine entsprechende Spannung steuert.
Die Gateelektrode kann als eine Graben-Gateelektrode implementiert sein, d. h. als eine Gateelektrode, die in einem Graben angeordnet ist, der sich von der Hauptfläche in das Halbleitersubtrat bzw. den Halbleiterkörper erstreckt.
Der Begriff „Feldeffekt“, wie in dieser Beschreibung verwendet, soll die durch ein elektrisches Feld vermittelte Bildung eines leitenden „Kanals“ eines ersten Leitfähigkeitstyps und/oder Steuerung der Leitfähigkeit und/oder der Form des Kanals zwischen zwei Gebieten des ersten Leitfähigkeitstyps beschreiben. Der leitende Kanal kann in einem Halbleitergebiet eines zweiten Leitfähigkeitstyps, typischerweise einem Bodygebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps, das zwischen den beiden Gebieten des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist, ausgebildet sein und/oder gesteuert werden. Aufgrund des Feldeffekts wird ein unipolarer Strompfad durch das Kanalgebiet zwischen einem Sourcegebiet oder Emittergebiet des ersten Leitfähigkeitstyps und einem Driftgebiet des ersten Leitfähigkeitstyps in einer MOSFET-Struktur bzw. einer IGBT-Struktur gebildet und/oder gesteuert. Das Driftgebiet kann mit einem höher dotierten Draingebiet des ersten Leitfähigkeitstyps bzw. einem höher dotierten Kollektorgebiet des zweiten Leitfähigkeitstyps in Kontakt sein. Das Draingebiet oder das Kollektorgebiet ist in niederohmigem elektrischem Kontakt mit einer Drain- oder Kollektorelektrode. Das Sourcegebiet oder Emittergebiet ist in niederohmigem elektrischem Kontakt mit einer Source- oder Emitterelektrode.
Eine Einheitszelle eines aktiven Bereichs eines Leistungs-Feldeffekt-Halbleiterbauelements kann in einem horizontalen Querschnitt eine Graben-Gateelektrode und einen umgebenden Abschnitt einer Mesa aufweisen, wenn die Graben-Gateelektroden ein zweidimensionales Gitter, zum Beispiel in der Form eines Schachbretts, bilden, wenn von oben betrachtet.
Alternativ kann die Einheitszelle des aktiven Bereichs eines Leistungs-Feldeffekt-Halbleiterbauelements in einem horizontalen Querschnitt eine Graben-Gateelektrode und einen jeweiligen Abschnitt von zwei angrenzenden Mesas aufweisen, wenn von oben betrachtet. In diesen Ausführungsformen können Graben-Gateelektroden, Mesas und Einheitszellen jeweilige eindimensionale Gitter bilden.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Mesa“ oder „Mesagebiet“ ein Halbleitergebiet beschreiben, das in einem vertikalen Querschnitt bei einem Graben und typischerweise zwischen zwei benachbarten Gräben angeordnet, die sich in das Halbleitersubstrat bzw. den Halbleiterkörper erstrecken.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Feldelektrode“ eine Elektrode beschreiben, die bei einem Halbleitergebiet, typischerweise dem Driftgebiet, isoliert vom Halbleitergebiet bzw. dem Halbleiterkörper angeordnet und so ausgelegt ist, dass sie einen verarmten Abschnitt im Halbleitergebiet durch Laden auf eine geeignete Spannung, typischerweise eine negative Spannung, in Bezug auf das umgebende Halbleitergebiet für ein n-Halbleitergebiet ausdehnt. Typischerweise ist die Feldelektrode durch ein leitendes Gebiet ausgebildet, das in oder auf dem Halbleiterkörper angeordnet und durch ein isolierendes Gebiet, das ein Felddielektrikumgebiet bildet, vom Halbleiterkörper isoliert ist. Während des Sperrmodus wird ein Abschnitt des Hableitergebiets durch Ladungen, typischerweise negative Ladungen für ein n-Halbleitergebiet, verarmt wird.
Die leitenden Gebiete zum Bilden der Gateelektrode bzw. der Feldelektrode können aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit hergestellt sein, die hoch genug ist, damit das leitende Gebiet ein Äquipotenzialgebiet während des Betriebs des Bauelements bildet. Zum Beispiel kann das leitende Gebiet aus einem Material mit metallischer oder annähernd metallischer elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweis einem Metall, zum Beispiel Wolfram, hochdotiertem Polysilicium, einem Silicid oder dergleichen, hergestellt sein. Typischerweise ist das leitende Gebiet in elektrischer Widerstandsverbindung mit einer Gatemetallisierung des Halbleiterbauelements. Das isolierende Gebiet kann aus jedem geeigneten dielektrischen Material, wie beispielswiese Siliciumoxid, zum Beispiel thermischem Siliciumoxid, Siliciumnitrid, Siliciumoxidnitrid oder dergleichen, hergestellt sein.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Metallisierung“ ein Gebiet oder eine Schicht mit metallischen oder annähernd metallischen Eigenschaften in Bezug auf elektrische Leitfähigkeit beschreiben. Eine Metallisierung kann mit einem Halbleitergebiet in Kontakt sein, um eine Elektrode, eine Kontaktstelle und/oder einen Anschluss des Halbleiterbauelements zu bilden. Die Metallisierung kann aus einem Metall, wie beispielsweise Al, Ti, W, Cu und Co, hergestellt sein und/oder ein solches aufweisen, aber sie kann auch aus einem Material mit metallischen oder annähernd metallischen Eigenschaften in Bezug auf elektrische Leitfähigkeit, wie beispielsweise hochdotiertem n- oder p-Poly-Si, TiN oder einem elektrisch leitenden Silicid, wie beispielsweise TaSi₂, TiSi₂, PtSi, CoSi₂, WSi₂ oder dergleichen, hergestellt sein. Die Metallisierung kann außerdem verschiedene elektrisch leitende Materialien, zum Beispiel einen Stapel dieser Materialien, aufweisen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen in Bezug auf Halbleiterbauelemente und Herstellungsverfahren zum Bilden von Halbleiterbauelementen in erster Linie in Bezug auf Silicium (Si)-Halbleiterbauelemente erläutert. Demgemäß ist ein Halbleitergebiet oder eine Halbleiterschicht typischerweise ein monokristallines Si-Gebiet oder eine monokristalline Si-Schicht.
1 veranschaulicht einen vertikalen Querschnitt durch einen IGBT 100. Der Bipolar-IGBT 100 umfasst einen Halbleiterkörper 40, der sich zwischen einer Hauptfläche 101 mit einer normalen Richtung, die eine vertikale Richtung definiert, und einer Rückfläche 102 erstreckt, die gegenüber der Hauptfläche 101 angeordnet ist. Im Folgenden wird die Hauptfläche 101 auch als horizontale Hauptfläche bezeichnet. Der Halbleiterkörper 40 umfasst ein erstes n-Halbleitergebiet 1, mindestens ein Bodygebiet 2, das im Folgenden auch als erstes p-Halbleitergebiet 2 bezeichnet wird, und mindestens ein p-Kollektorgebiet 4, das im Folgenden auch als zweites p-Halbleitergebiet 4 bezeichnet wird. Das erste n-Halbleitergebiet 1 bildet einen ersten pn-Übergang 14 mit dem/den Bodygebiet(en) 2und einen zweiten pn-Übergang 16 mit dem Kollektorgebiet 4. Im Folgenden werden der zweite pn-Übergang 16 und der ersten pn-Übergang 14 auch als pn-Übergang 16 bzw. weiterer pn-Übergang 14 bezeichnet. Der Halbleiterkörper 40 weist ferner ein oder mehrere n-Sourcegebiete 3 auf, die einen dritten pn-Übergang 15 mit dem/den Bodygebiet(en) 2 bilden und sich zur Hauptfläche 101 erstrecken können.
In der beispielhaften Ausführungsform erstrecken sich drei vertikale Gräben 50 von der Hauptfläche 101 entlang jeweiliger Emitter- oder Sourcegebiete 3 und Bodygebiete 2 und teilweise in das erste n-Halbleitergebiet 1. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Typischerweise ist der IGBT 100 ein Leistungs-Halbleiterbauelement, das in einem aktiven Bereich mehrere vertikale Gräben 50 aufweist. Im vertikalen Querschnitt und typischerweise auch, wenn von oben betrachtet, bilden die vertikalen Gräben 50 typischerweise ein Gitter, das Einheitszellen 110 definiert, im aktiven Bereich.
In jedem vertikalen Graben 50 ist eine Gateelektrode 10 angeordnet und vom Halbleiterkörper 40 durch ein Dielektrikumgebiet 9b, 9c, 9d getrennt. Ein unterer Abschnitt 9b des Dielektrikumgebiets ist unter der Gateelektrode 10 und zwischen der Gateelektrode 10 und dem ersten n-Halbleitergebiet 1 angeordnet. Gatedielektrikumabschnitte 9c des Dielektrikumgebiets sind an Seitenwänden des vertikalen Grabens 50 angeordnet. Ferner ist die Gateelektrode 10 durch einen oberen Dielektrikumabschnitt 9d abgedeckt. Der untere Dielektrikumabschnitt 9b, der obere Dielektrikumabschnitt 9d und die Gatedielektrikumabschnitte 9c können aus dem gleichen dielektrischen Material, zum Beispiel Siliciumoxid (SiO₂), hergestellt sein.
Die Gatedielektrikumabschnitte 9c erstrecken sich von der Hauptfläche 101 entlang eines jeweiligen Sourcegebiets 3, eines jeweiligen angrenzenden Bodygebiets 2 und teilweise in ein Driftgebiet 1a des ersten n-Halbleitergebiets 1. Demgemäß weist jede Einheitszelle (IGBT-Zelle) 110 eine Feldeffektstruktur mit einer isolierten Gateelektrode auf, die so ausgelegt ist, dass sie einen n-Kanal in benachbarten Bodygebieten 2 an den Gatedielektrikumabschnitten 9c und zwischen dem entsprechenden Emittergebiet 3 und dem gemeinsamen Driftgebiet 1a bildet und steuert.
In anderen Ausführungsformen sind die Feldeffektstrukturen der Einheitszellen als DMOS-Strukturen mit jeweiligen isolierten Gateelektroden implementiert, die auf der Hauptfläche 101 angeordnet sind, d. h. als Feldeffektstrukturen, die auch bei der Hauptfläche 101 angeordnet sind.
Eine Emittermetallisierung in niederohmiger Verbindung mit dem/den Emittergebiet(en) 3 und dem/den Bodygebiet(en) 2 über ein höher dotiertes p - Bodykontaktgebiet 2a kann auf der Hauptfläche 101 angeordnet sein, um einen Emitter- oder Sourceanschluss E zu bilden.
Es ist zu erwähnen, dass die Kontaktstecker 17 und die Bodykontaktgebiete 2a außerdem nur in einem bestimmten vertikalen Querschnitt, zum Beispiel im vertikalen Querschnitt des IGBTs 100 ohne die vertikalen Gräben 50, ausgebildet sein können. Dies ermöglicht dichtere vertikale Gräben 50.
Ferner kann eine Gatemetallisierung (nicht dargestellt in 1) in niederohmiger Verbindung mit den Gateelektroden 10 auf der Hauptfläche 101 angeordnet sein, um einen Gateanschluss G zu bilden.
Um einen Kollektoranschluss C zu bilden, kann eine Kollektormetallisierung gegenüber der Emittermetallisierung, d. h. auf der Rückfläche 102, und in niederohmiger Verbindung mit dem Kollektorgebiet 4 angeordnet sein. Demgemäß sind die Feldeffektstrukturen bzw. die IGBT-Zellen 100 zwischen der Emittermetallisierung und der Kollektormetallisierung parallel geschaltet. Die Feldeffektstrukturen des IGBTs 100 können daher auch als eine gemeinsame Feldeffektstruktur angesehen werden, die bei der Hauptfläche 101 angeordnet ist.
Im Vorwärtsmodus können die Kanalgebiete in den Bodyregionen 2 zwischen den Emittergebieten 3 und dem Driftgebiet 1a durch Anlegen einer geeigneten Spannungsdifferenz zwischen dem Gateanschluss G und dem Emitteranschluss E gebildet werden.
Während des Sperrmodus, in welchem der pn-Übergang bzw. die pn-Übergänge 14 in Sperrrichtung vorgespannt wird/werden, und in Abhängigkeit von der Spannung V_CE zwischen dem Kollektoranschluss C und dem Emitteranschluss E erstreckt sich ein Raumladungsgebiet in das erste n-Halbleitergebiet 1 und in geringerem Ausmaß in die höher dotierten Bodygebete 2.
Typischerweise umfasst das erste n-Halbleitergebiet 1 ein sogenanntes n-Feldstoppgebiet 1b, das mit dem Kollektorgebiet den pn-Übergang 16 bildet. Das Feldstoppgebiet 1b ist unterhalb des Driftgebiets 1a und zwischen dem Driftgebiet 1a und dem Kollektorgebiet 4 ausgebildet und weist eine höhere maximale Dotierungskonzentration und/oder eine höhere mittlere Dotierungskonzentration als das Driftgebiet 1a auf, um die räumliche Ausdehnung des elektrischen Feldes während des Sperrmodus einzuschränken.
Typischerweise erstrecken sich das erste n-Halbleitergebiet 1, das Driftgebiet 1a und das Feldstoppgebiet 1b in den vertikalen Querschnitten zwischen zwei Kanten (nicht dargestellt in 1), die den Halbleiterkörper 40 in der horizontalen Richtung begrenzen, oder wenigstens bis dicht zu zwei Kanten. Im Folgenden werden das erste n-Halbleitergebiet 1, das Driftgebiet 1a und das Feldstoppgebiet 1b daher als Siliciumschicht 1, obere Teilschicht 1a der Siliciumschicht 1 bzw. untere Teilschicht 1b der Siliciumschicht 1 bezeichnet. Typischerweise ist die maximale Dotierungskonzentration des Feldstoppgebiets 1b mindestens etwa eine Größenordnung höher als die maximale Dotierungskonzentration des Driftgebiets 1a.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Silicium-Halbleiterkörper 40 eine im Wesentlichen unveränderliche Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 und eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3, typischerweise weniger als etwa 2,0 * 10¹⁷ cm^-3 oder sogar weniger als 1,0 * 10¹⁷ cm^-3 auf. Es ist zu erwähnen, dass Stickstoff typischerweise während der Herstellung der Siliciumstäbe für die Halbleiterscheiben zugeführt wird, um die Bildung von sogenannten kristalloriginären Teilchen (COPs für engl. crystal originated particles) zu verringern. Demgemäß können die IGBTs auf Halbleiterscheibenebene unter Verwendung von Protonenimplantaten zum Bilden des Feldstoppgebiets 1b mit einer geringeren Änderung der Dotierungskonzentration im Feldstoppgebiet 1b hergestellt werden. Dies wird im Folgenden ausführlich erläutert und weiter erleichtert, wenn die maximale Stickstoffkonzentration des Halbleiterkörpers 40 weniger als etwa 2 * 10¹⁴ cm^-3 ist, wenn die maximale Sauerstoffkonzentration des Halbleiterkörpers 40 weniger als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3 ist, und/oder wenn die maximale Kohlenstoffkonzentration des Halbleiterkörpers 40 weniger als etwa 2 * 10¹⁶ cm^-3 und typischerweise weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 ist. Außerdem wird die Anzahl von tiefen Donatoren im Feldstoppgebiet 1b, die aufgrund des Auflösens von inaktiven Stickstoffpaaren während der Protonenimplantation gebildet werden, verringert, wenn eine Halbleiterscheibe mit niedriger Stickstoffkonzentration verwendet wird.
Die Begriffe „im Wesentlichen unveränderliche Konzentration“ und „im Wesentlichen konstante Konzentration“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen beschreiben, dass sich die Konzentration im Halbleiterkörper nicht oder wenigstens fast nicht ändert, die Konzentrationsänderung z. B. weniger als etwa 20 % oder sogar weniger als etwa 10 % betragen kann.
Aufgrund der Herstellung umfasst das Feldstoppgebiet 1b wasserstoffbedingte flache Donatoren (engl.: shallow donors), insbesondere Wasserstoff-Gitterleerstellen-Komplexe, die im Folgenden als Wasserstoff/Leerstellen-Komplexe bezeichnet werden, und/oder Sauerstoff-Wasserstoff-Gitterleerstellen-Komplexe, die im Folgenden auch als Sauerstoff/Wasserstoff/Leerstellen-Komplexe bezeichnet werden.
Typischerweise bilden die wasserstoffbedingten flachen Donatoren (Wasserstoff/Leerstellen-Komplexe und/oder Sauerstoff/Wasserstoff/Leerstellen-Komplexe) den Großteil (Mehrheit) der thermischen Donatoren im Feldstoppgebiet 1b. Zum Beispiel können mindestens etwa 80 %, typischerweise mindestens etwa 90 % und insbesondere mindestens etwa 95 % und sogar mindestens etwa 99 % der thermischen Donatoren des Feldstoppgebiets 1b wasserstoffbedingte flache Donatoren sein.
Das Feldstoppgebiet 1b kann außerdem Sauerstoffkomplexe aufweisen, die als thermische Donatoren fungieren, die aufgrund der Gegenwart von Sauerstoff während der Protonenimplantation in der Halbleiterscheibe induziert werden können. Daher werden diese Sauerstoffkomplexe im Folgenden auch als sauerstoffinduzierte thermische Donatoren bezeichnet, wobei die Bildung dieser sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren durch eine wasserstoffinduzierte schnelle Diffusion der Sauerstoffatome unterstützt werden kann, die zu einer schnelleren Bildung von Sauerstoffkomplexen führt.
Typischerweise ist ein Verhältnis zwischen einer Summe von Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen und Sauerstoff/Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen im Feldstoppgebiet 1b und einer Gesamtanzahl von sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren im Feldstoppgebiet 1b größer als etwa ein Faktor von neun oder zum Beispiel größer als etwa ein Faktor von 18 oder sogar 98.
Die Begriffe „flache Donatoren / flache thermische Donatoren“ und „tiefe Donatoren / tiefe thermische Donatoren“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen Donatoren beschreiben, die ein Energieniveau innerhalb der Bandlücke des Halbleitermaterials (Siliciums) mit einem Energieabstand von weniger als etwa 100 meV entfernt von der unteren Leitungsbandkante (flache thermische Donatoren) bzw. einem Energieabstand von mehr als etwa 100 meV entfernt von der unteren Leitungsbandkante (tiefe thermische Donatoren) aufweisen.
Die Konzentration von Donatoren im Feldstoppgebiet 1b kann in vertikaler Richtung, d. h. entlang eines Pfades s, der im Wesentlichen orthogonal zur Rückfläche 102 ist, variieren, so dass die Konzentration von Donatoren zwei Spitzen (Peaks) oder mehr Spitzen im Feldstoppgebiet 1b aufweist. Demgemäß können die Weichheit und das Schaltverhalten des IGBTs 100 verbessert werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung von IGBTs auf Halbleiterscheibenebene unter Verwendung von Protonenimplantaten zum Bilden der Feldstoppschichten erläutert.
2 und 3 veranschaulichen ein Verfahren zur Bildung eines IGBTs 100 gemäß mehreren Ausführungsformen. 2 und 3 stellen vertikale Querschnitte durch einen Hableiterbody während oder nach bestimmten Herstellungsschritten dar.
In einem ersten Prozess wird eine Si-Halbleiterscheibe 40 oder ein Si-Substrat 40 mit einer Hauptseite 101 und einer Rückseite 102 bereitgestellt, die gegenüber und im Wesentlichen parallel zur Hauptseite 101 angeordnet ist. Die normale Richtung der Hauptseite 101 bzw. der Rückseite 102 definiert eine vertikale Richtung. Die Halbleiterscheibengröße ist typischerweise gleich wie oder größer als 8" und insbesondere etwa gleich wie oder größer als 12". Wie im linken Teil von 2 durch die strichpunktierte Schnittlinie veranschaulicht, ist die Halbleiterscheibe 40 typischerweise von einem aus der Schmelze gezogenen magnetischen Czochralski-Siliciumkristall 400 (gezogener Stab eines magnetischen Czochralski-Siliciummaterials) oder aus der Schmelze gezogenen Czochralski-Siliciumkristall 400 (gezogener Stab eines Czochralski-Siliciummaterials) abgeschnitten, die im Folgenden auch als gezogene Siliciumstäbe bezeichnet werden.
Wie im rechten Teil von 2 veranschaulicht, weist die Halbleiterscheibe 40 typischerweise eine schwach dotierte n-leitende oder eine eigenleitende Siliciumschicht 1 auf, die sich typischerweise zwischen der Rückseite 102 und der Hauptseite 101 zur Hauptfläche 101 erstreckt (die Hauptseite 101 bildet bzw. an der Hauptseite 101 angeordnet ist).
Gemäß einer Ausführungsform ist die Halbleiterscheibe 40 mit einer Siliciumschicht 1 mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3 und einer Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 versehen. Wie bereits erwähnt, wird Stickstoff typischerweise während des Czochralski-Prozesses zum Bilden der gezogenen Siliciumstäbe zugeführt.
Typischerweise ist die Stickstoffkonzentration von Hableiterscheiben 40, die von einem gezogenen Siliciumstab abgeschnitten werden, im Wesentlichen konstant. Die Autoren haben festgestellt, dass die Sauerstoffkonzentration (Konzentration von Sauerstoff auf Zwischengitterplätzen) in Halbleiterscheiben 40, die von gezogenen Siliciumstäben abgeschnitten sind, typischerweise variiert. Ferner haben die Autoren festgestellt, dass die variierende Sauerstoffkonzentration zu zu großen Änderungen der Dotandenkonzentration in Feldstoppgebieten von herzustellenden IGBTs führen kann, wenn das Bilden der Feldstoppgebiete Protonenbestrahlung umfasst, wie dies häufig der Fall ist. Dies kann vermieden werden, wenn die Protonen in eine Siliciumschicht 1 implantiert werden, die mindestens eine Sauerstoffkonzentration aufweist, die niedrig genug ist. Dies wird in Bezug auf 4A, 4B und 5 erläutert.
4A stellt drei vertikale Gesamtdonatorkonzentrationsprofile n_D von Siliciumschicht als Funktion eines Abstands d von der Rückseite der jeweiligen Halbleiterscheibe nach der Protonenimplantation und thermischen Ausheilung dar. Die Kurven a bis c wurden durch Profilermittlung durch Ausbreitungswiderstandsmessung (SRP für engl. spreading resistance profiling) gemessen. Obwohl Protonen der gleichen Implantationsdosis und der gleichen Implantationsenergie in Silicium mit der gleichen niedrigen n-Hintergrunddotierung implantiert wurden, zeigen die drei Kurven a bis c unterschiedliche Gesamtdonatorprofile auf. Diese Unterschiede können der variierenden Sauerstoffkonzentration der drei Halbleiterscheiben zugeschrieben werden. Kurve a entspricht den Gesamtdonatorkonzentrationsprofilen n_D der Halbleiterscheibe mit der niedrigsten Sauerstoffkonzentration, Kurve b entspricht einer Halbleiterscheibe mit mittlerer Sauerstoffkonzentration, und Kurve c der Halbleiterscheibe mit der höchsten Sauerstoffkonzentration (etwa eine Größenordnung höher als die niedrigste Sauerstoffkonzentration). Die Sauerstoffkonzentration wurde unter Verwendung von Infrarotabsorptionsspektroskopie gemessen.
Wie in 4B veranschaulicht, wird die Gesamtdonatorkonzentration nach der Protonenimplantation und der anschließenden Ausheilung durch die Sauerstoffkonzentration nur schwach beeinflusst, wenn die Sauerstoffkonzentration unter einer Schwelle ist. Kurve a und b von 4B wurden erhalten, nachdem Protonen der gleichen Dosis und Energie in zwei Silicium-Halbleiterscheiben der gleichen niedrigen n-Hintergrunddotierung implantiert wurden. Trotz eines Unterschieds von etwa einer Größenordnung der Sauerstoffkonzentration der beiden Halbleiterscheiben bleibt der Unterschied der Gesamtdonatorkonzentration n_D unter 10%.
Wie in 5 veranschaulicht, die den relativen Prozentsatz von wasserstoffbedingten flachen Donatoren (d. h. durch Protonenimplantation induzierten Donatoren) und sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren (d. h. durch Sauerstoff an Zwischengitterplätzen verursachten Donatoren, die durch Protonenimplantation gefördert werden können) für den Fall von zwei verschiedenen Protonenimplantationsdosen n_p1 und n_p2 darstellt, kann für jede Protonenimplantationsdosis n_p1, n_p2 eine Sauerstoffkonzentrationsgrenze c_O1 bzw. c_O2, bestimmt werden, unter welcher der relative Beitrag von sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren unter 10 % der wasserstoffbedingten flachen Donatoren ist. Wasserstoffbedingte flache Donatoren werden durch Protonenbestrahlung induziert, und ihre Gesamtkonzentration wird im Wesentlichen durch die Protonenbestrahlungsdosis bestimmt. Sauerstoffinduzierte thermische Donatoren können durch Protonenimplantation gefördert werden, aber ihre Gesamtkonzentration wird im Wesentlichen durch die Sauerstoffkonzentration bestimmt. Kurve a und b entsprechen Gesamtdonatorkonzentrationen als Funktion der Sauerstoffkonzentration co in der Halbleiterscheibe für die Protonendosen n_p1 bzw. n_p2 und nach dem thermischen Ausheilen.
Daher wird die Änderung der Donatorkonzentration im Feldstoppgebiet verringert, wenn die Protonen in Siliciumschichten mit einer Sauerstoffkonzentration unter der Sauerstoffkonzentrationsgrenze implantiert werden. In dieser Ausführungsform ist ein Verhältnis zwischen einer Summe von Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen und Sauerstoff/Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen im Feldstoppgebiet und einer Gesamtanzahl von sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren im Feldstoppgebiet größer als etwa ein Faktor von neun.
Für eine bestimmte Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe kann die Sauerstoffkonzentrationsgrenze auch von der Kohlenstoffkonzentration für Kohlenstoffkonzentrationen von mehr als etwa 1 * 10¹⁶ cm^-3 abhängen.
Daher umfasst das Bereitstellen der Halbleiterscheibe 40 typischerweise ein Messen der Sauerstoffkonzentration auf Zwischengitterplätzen und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Sauerstoffkonzentration der Halbleiterscheibe unter einer Sauerstoffkonzentrationsgrenze ist; Messen einer Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe unter einer Stickstoffkonzentrationsgrenze ist. Die jeweiligen Konzentrationen können durch Infrarotspektroskopie (IR) oder Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) gemessen werden. Die Sauerstoffkonzentrationsgrenze ist typischerweise nicht höher als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3, insbesondere nicht höher als etwa 2 * 10¹⁷ cm^-3 und ganz besonders nicht höher als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3. Im Falle der IR-Spektroskopie sind die in diesem Dokument erwähnten Werte für Sauerstoff auf Zwischengitterplätzen gemäß dem Standard New ASTM (ASTM F 121 1908-1983) spezifiziert.
Die Stickstoffkonzentrationsgrenze ist typischerweise nicht höher als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3, insbesondere nicht höher als etwa 2 * 10¹⁴ cm^-3 und ganz besonders nicht höher als etwa 1 * 10¹⁴ cm^-3.
Das Bereitstellen der Halbleiterscheibe 40 kann ferner ein Messen einer Kohlenstoffkonzentration der Halbleiter und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung umfassen, wenn die Kohlenstoffkonzentration der Halbleiterscheibe niedriger als die Kohlenstoffkonzentrationsgrenze ist, die typischerweise nicht höher als etwa 1 * 10¹⁶ cm^-3 und insbesondere nicht höher als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 ist.
Wie in 2 durch die gestrichelten Pfeile veranschaulicht, können von der Rückseite 102 hoch energetische Protonen in die Siliciumschicht 1 implantiert werden. Demgemäß wird eine bestrahlte Teilschicht 1b in der Siliciumschicht 1 gebildet. Wie durch die gestrichelten Linien angezeigt, wird die Implantationsenergie des Protons typischerweise derart gewählt, dass die Teilschicht 1b von der Rückfläche 102 und der Hauptfläche 101 durch eine untere Teilschicht 1c bzw. eine obere Teilschicht 1a beabstandet ist, in welchen im Wesentlichen keine Protonen, d. h. höchstens etwa 1 % oder sogar weniger als etwa 0,1 % der Protonen implantiert werden, die in die bestrahlte Teilschicht 1b implantiert werden.
In Abhängigkeit von der Spannungsklasse des herzustellenden IGBTs kann die Protonenimplantationsdosis in einem Bereich von etwa10¹² Protonen pro cm² bis etwa 3 × 10¹⁴ Protonen pro cm² liegen, und die Protonenimplantationsenergie kann in einem Bereich von etwa 200 keV bis etwa 1,5 MeV liegen.
Außerdem können zwei, drei, vier oder mehr Protonenimplantationen von unterschiedlicher Protonenimplantationsenergie zum Herstellen eines IGBTs mit einer vertikal variierenden Dotierungskonzentration im Feldstoppgebiet verwendet werden. Ferner kann die Protonenimplantationsdosis für Protonenimplantationen von unterschiedlicher Protonenimplantationsenergie des vertikalen Dotierungsprofils im Feldstoppgebiet der herzustellenden IGBTs unterschiedlich sein, um die Spitzenhöhen anzupassen. Typischerweise nimmt die Protonendosis mit zunehmender Energie der einzelnen Implantationsschritte ab.
Danach kann ein thermisches Ausheilen erfolgen, um wasserstoffbedingte flache Donatoren in der Teilschicht 1b zu bilden, um dadurch die Konzentration von n-Dotanden in der Teilschicht 1b zu erhöhen. Die resultierende Struktur 100 ist in 3 dargestellt. Das thermische Ausheilen umfasst typischerweise einen Ofenprozess bei einer Temperatur, die typischerweise 350 bis 420 °C, zum Beispiel etwa 400 °C, beträgt.
Das Verfahren wird typischerweise derart durchgeführt, dass die flachen Donatoren einen Großteil der Donatoren in der ausgeheilten Teilschicht 1b bilden. Zum Beispiel können mehr als etwa 80 %, typischerweise mehr als etwa 90 % und sogar 99 % der Donatoren in der ausgeheilten Teilschicht 1b wasserstoffbedingte flache Donatoren sein.
Das thermische Ausheilen kann auch als ein gemeinsames Ausheilen erfolgen, um Donatoren von weiteren Implantationen z. B. von Donator-Ionen, wie Phosphor-Ionen und Arsen-Ionen, und/oder Akzeptor-Ionen, wie beispielsweise Bor-Ionen, von der Hauptseite 101 und/oder der Rückseite 102 zu aktivieren, die zum Bilden von weiteren Dotierungsgebieten in der Halbleiterscheibe 40, wie beispielsweise Emittergebieten, Bodygebieten und einem Kollektorgebiet oder einer Kollektorschicht in der Halbleiterscheibe 40, verwendet werden.
Zum Beispiel können vor oder nach dem Implantieren der Protonen Akzeptor-Ionen von der Rückseite 102 in die untere Teilschicht 1c implantiert (oder eindiffundiert) werden.
Ferner werden typischerweise mehrere Feldeffektstrukturen bei der Hauptfläche 101 gebildet. Dies umfasst typischerweise: Bilden eines pn-Übergangs in der oberen Teilschicht 1a (z. B. durch Implantieren von Akzeptor-Ionen von der Hauptseite 101 in den/die obersten Abschnitt(e) der oberen Teilschicht 1a); Ätzen von vertikalen Gräben in aktive Bauelementbereiche von der Hauptfläche 101 durch den pn-Übergang typischerweise durch Ätzen auf eine Tiefe von etwa 5 bis 10 µm; Isolieren der Seiten- und Bodenwände der vertikalen Gräben, um jeweilige Gatedielektrikumgebiete zu bilden; und Füllen der vertikalen Gräben mit einem leitenden Material, wie beispielsweise dotiertem Polysilicium, um isolierte Gateelektroden in den vertikalen Gräben zu bilden. Davor kann eine Feldelektrode in einem jeweiligen unteren Abschnitt der vertikalen Gräben gebildet werden. Außerdem können eine oder mehrere Kantenabschlussstrukturen dicht an der Hauptfläche 101 und um die aktiven Bauelementbereiche gebildet werden.
Danach können eine Emittermetallisierung und eine Gatemetallisierung auf der Hauptfläche 101 gebildet werden, und eine Kollektormetallisierung kann auf der Rückseite 102 gebildet werden.
Dann kann die Halbleiterscheibe 40 in mehrere IGBTs, wie beispielsweise den zuvor unter Bezugnahme auf 1 erläuterten IGBT 100, geschnitten werden.
Räumliche Begriffe, wie beispielsweise „unter“, „unterhalb“, „unter-“, „über“, „ober“ und dergleichen, werden zur einfacheren Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements in Bezug auf ein zweites Element zu erläutern. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen des Bauelements zusätzlich zu anderen Ausrichtungen als jenen umfassen, die in den Figuren dargestellt sind. Ferner werden Begriffe wie beispielsweise „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und dergleichen zur Beschreibung verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. verwendet und sind nicht als einschränkend gedacht. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „haben“, „enthalten“, „aufweisen“, „umfassen“ und dergleichen unbestimmte Begriffe, welche das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Wie hierin verwendet, sollen die Artikel „ein“, „eine“ und „der, die, das“ sowohl die Mehrzahl als auch die Einzahl umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes nahe legt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines IGBTs (100), wobei das Verfahren aufweist: - Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (40), die von einem gezogenen magnetischen Czochralski-Siliciumkristall (400) oder einem gezogenen Czochralski-Siliciumkristall (400) abgeschnitten ist, eine Hauptseite (101) und eine Rückseite (102) aufweist, die gegenüber der Hauptseite angeordnet ist, und eine Siliciumschicht (1) mit einer Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3, einer Kohlenstoffkonzentration von weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 und einer im Wesentlichen unveränderlichen Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 aufweist, - Implantieren von Protonen von der Rückseite (102) in die Siliciumschicht (1), um eine bestrahlte Teilschicht (1b) in der Siliciumschicht (1) zu bilden; und - thermisches Ausheilen nach dem Implantieren der Protonen, um wasserstoffbedingte flache Donatoren in der Teilschicht (1b) zu bilden, so dass die wasserstoffbedingten flachen Donatoren wenigstens einen Großteil der n-Dotanden in der Teilschicht (1b) bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Protonen in die Siliciumschicht (1) implantiert werden, die eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Protonen in die Siliciumschicht (1) implantiert werden, die eine Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 2 * 10¹⁴ cm^-3 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend ein Bilden einer p-Halbleiterschicht (4) an der Rückseite (102) der Halbleiterscheibe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bereitstellen der Halbleiterscheibe (40) mindestens eines aufweist von: - Messen einer Sauerstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Sauerstoffkonzentration der Halbleiterscheibe weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3 beträgt; - Messen einer Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 beträgt; und - Messen einer Kohlenstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Kohlenstoffkonzentration der Halbleiterscheibe weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren derart durchgeführt wird, dass ein Verhältnis zwischen einer Summe von Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen und Sauerstoff/Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen in der Teilschicht (1b) und einer Gesamtanzahl von sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren in der Teilschicht (1b) größer als etwa ein Faktor von neun ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Protonenimplantationsdosis in einem Bereich von etwa 10¹² Protonen pro cm² bis etwa 3 × 10¹⁴ Protonen pro cm² liegt, wobei eine Protonenimplantationsenergie in einem Bereich von etwa 200 keV bis etwa 1,5 MeV liegt, und/oder wobei mindestens zwei Protonenimplantationen von unterschiedlicher Protonenimplantationsenergie und/oder unterschiedlicher Implantationsdosis zum Implantieren von Protonen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: - Implantieren von Akzeptor-Ionen von der Rückseite (102) in die Siliciumschicht (1); - Implantieren von Akzeptor-Ionen und/oder Donator-Ionen von der Hauptseite (101) in die Siliciumschicht (1); - Bilden eines pn-Übergangs (16) in der Siliciumschicht (1); - Bilden einer Feldeffektstruktur bei der Hauptfläche (101); - Ätzen eines vertikalen Grabens von der Hauptfläche (101); - Isolieren wenigstens einer Seitenwand des vertikalen Grabens; und / oder - Bilden von mehreren isolierten Gateelektroden bei der Hauptfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren derart durchgeführt wird, dass die Konzentration von n-Dotanden der Teilschicht (1b) gegenüber einer oberen Teilschicht (1a) der Siliciumschicht (1), die zwischen der Teilschicht (1a) und der Rückfläche (102) angeordnet ist, höher ist.
Verfahren zur Herstellung eines IGBTs, wobei das Verfahren aufweist: - Bereitstellen einer Halbleiterscheibe (40), die eine Siliciumschicht (1) aufweist, die eine Hauptseite (101) der Halbleiterscheibe bildet und eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3 und eine Kohlenstoffkonzentration von weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 aufweist; - Implantieren von Protonen in die Siliciumschicht (1), um eine bestrahlte Teilschicht (1b) in der Siliciumschicht (1) zu bilden; und - thermisches Ausheilen nach dem Implantieren der Protonen, um eine Konzentration von n-Dotanden in der Teilschicht (1b) zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Siliciumschicht (1) eine Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Bereitstellen der Halbleiterscheibe mindestens eines aufweist von: - Bereitstellen eines gezogenen Stabs (400) eines magnetischen Czochralski-Siliciummaterials oder eines Czochralski-Siliciummaterials; - Abschneiden der Halbleiterscheibe vom gezogenen Stab; - Messen einer Sauerstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Sauerstoffkonzentration der Halbleiterscheibe weniger als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3 beträgt; - Messen einer Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Stickstoffkonzentration der Halbleiterscheibe weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3 beträgt; und - Messen einer Kohlenstoffkonzentration der Halbleiterscheibe und Auswählen der Halbleiterscheibe zur Weiterverarbeitung, wenn die Kohlenstoffkonzentration der Halbleiterscheibe weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Verfahren derart durchgeführt wird, dass ein Verhältnis zwischen einer Summe von wasserstoffbedingten flachen Donatoren in der Teilschicht (1b) und einer Gesamtanzahl von sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren in der Teilschicht (1b) größer als etwa ein Faktor von neun ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, ferner aufweisend mindestens eines von: - Bilden eines pn-Übergangs in der Siliciumschicht (1); - Bilden einer Feldeffektstruktur benachbart zu der Hauptfläche (101); - Ätzen eines vertikalen Grabens von der Hauptfläche (101); - Isolieren wenigstens einer Seitenwand des vertikalen Grabens; und - Bilden von mehreren isolierten Gateelektroden benachbart zu der Hauptfläche.
IGBT (100), aufweisend: - einen Silicium-Halbleiterkörper (40), der von einem gezogenen magnetischen Czochralski-Siliciumkristall (400) oder einem gezogenen Czochralski-Siliciumkristall (400) abgeschnitten ist und eine im Wesentlichen unveränderliche Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁵ cm^-3, eine maximale Kohlenstoffkonzentration von weniger als etwa 5 * 10¹⁵ cm^-3 aufweist und eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 2,5 * 10¹⁷ cm^-3 aufweist, sich zwischen einer Rückfläche (102) und einer Hauptfläche (101) erstreckt und ein p-Kollektorgebiet (4), das an der Rückfläche (102) angeordnet ist, ein Feldstoppgebiet (1b), das wasserstoffbedingte flache Donatoren aufweist und einen pn-Übergang (16) mit dem Kollektorgebiet (4) bildet, und ein Driftgebiet (1a) aufweist, das an das Feldstoppgebiet (1b) angrenzt und eine Konzentration von Donatoren aufweist, die niedriger als eine Konzentration von Donatoren des Feldstoppgebiets ist; und - eine Feldeffektstruktur, die bei der Hauptfläche (101) angeordnet ist.
IGBT nach Anspruch 15, wobei der Silicium-Halbleiterkörper (40) eine Sauerstoffkonzentration von weniger als etwa 1 * 10¹⁷ cm^-3 aufweist, und/oder wobei der Silicium-Halbleiterkörper (40) eine Stickstoffkonzentration von weniger als etwa 2 * 10¹⁴ cm^-3 aufweist.
IGBT nach Anspruch 15 oder 16, wobei ein Verhältnis zwischen einer Summe von wasserstoffbedingten flachen Donatoren (Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen und/oder Sauerstoff/Wasserstoff/Gitterleerstellen-Komplexen) in der Teilschicht (1b) und einer Gesamtanzahl von sauerstoffinduzierten thermischen Donatoren (tiefen Sauerstoffkomplexen) in der Teilschicht (1b) größer als etwa ein Faktor von neun ist.
IGBT nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Konzentration von Donatoren des Feldstoppgebiets entlang eines Pfades (s), der im Wesentlichen orthogonal zur Rückfläche (102) ist, variiert und mindestens zwei Spitzen aufweist.