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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft Halbleiterbauteile, insbesondere vertikale Halbleiterbauteile wie zum Beispiel eine Diode, eine Hochspannungsdiode, einen GTO-Thyristor oder einen IGBT(Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode), die einen Emitter auf einer Seite eines Halbleitersubstrats aufweisen.
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HINTERGRUND
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In der Randregion vertikaler Halbleiterbauteile wie z.B. Dioden oder IGBTs können dynamische Effekte, die von freien Ladungsträgern verursacht werden, in dieser Randregion eine signifikante Verringerung der Sperrfähigkeit in Bezug auf die ideale Durchbruchspannung und auch in Bezug auf die Sperrfähigkeit der aktiven Region während des Abschaltbetriebs bewirken. Während des Einschaltbetriebs kann es wegen der resultierenden erhöhten Ladungsträgerkonzentration in den Regionen des Randes oder der Ansteueranschlüsse vorkommen, dass sowohl die elektrische Feldstärke im Silizium als auch die Feldstärken in den SiO2-Schichten oder andere Isolatorschichten, die zur Passivierung oder zur Feldplattenbildung in der Randregion auf der Siliziumoberfläche abgeschieden wurden, stark ansteigen. Aufgrund von Feldstärkespitzen kann dort ein Lawinendurchbruch im Silizium oder ein Durchbruch des Oxids oder der Isolatorschicht auftreten.
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Statt p-Ringen mit Feldplatten ist es ebenso möglich, andere Randkonstruktionen wie z.B. p-Ringe ohne Feldplatten oder VLD-Ränder mit einer elektroaktiven, semiisolierenden oder anders isolierenden Beschichtung einzeln oder auch in Kombination mit weiteren, per se bekannten Randabschlüssen zu verwenden .
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In Kombination mit obigen Varianten sind mehrere Vorgehensweisen bei der Erzeugung inhomogener Pt-Konzentrationen zur Verringerung der Dichte der freien Ladungsträger bekannt. Zum Beispiel können vertikal inhomogene Pt-Konzentrationen mittels Phosphor-Diffusions-Gettering erzeugt werden. Die resultierenden Profile sind jedoch lateral konstant. Eine weitere Variante ist die Ablagerung von Pt mit anschließender Silizidierung. Eine weitere Variante besteht in einer Implantation in die Vorderseite des Substrats, wobei in diesem Fall jedoch eine Segregation an Oxidschichtgrenzen auftreten kann.
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Alle der obigen Varianten erfordern entweder spezielle Prozessschritte, sind fehleranfällig oder sind nicht zur Erzeugung variierender lateraler Pt-Konzentrationen geeignet. In Hinblick auf die Nachteile des oben skizzierten Standes der Technik und aus anderen Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines vertikalen Halbleiterbauteils bereitgestellt, welches ein Halbleitersubstrat mit einer ersten Seite und einer Randregion umfasst. Das Verfahren umfasst das Ausbilden eines Emitters an der ersten Seite des Halbleitersubstrats durch Dotierung mit einem Dotanden, wobei die Dotandenkonzentration im Emitter höher als in der Randregion ist; das Züchten einer Oxidschicht auf der ersten Seite zumindest teilweise mittels Tempern, wobei die Oxidschicht eine erste Dicke in einer ersten, den Emitter bedeckenden Region aufweist, und worin die Oxidschicht eine zweite Dicke in einer zweiten, die Randregion bedeckenden Region aufweist, und worin die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist; das Implantieren von Schwermetallionen mit einer ersten Energie durch die erste Seite; das Implantieren von Schwermetallionen mit einer zweiten Energie durch die erste Seite; worin die erste Energie und die zweite Energie unterschiedlich gewählt sind, sodass die implantierte Schwermetallkonzentration aufgrund einer Absorption eines Teils der Schwermetallionen mit der geringeren Energie in der ersten Region der Oxidschicht, die den Emitter bedeckt, in der Randregion höher als im Emitter ist, was in der Randregion zu einer geringeren Ladungsträgerlebensdauer als im Emitter führt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein vertikales Halbleiterbauteil einschließlich eines Halbleitersubstrats mit einer ersten Seite und einer Randregion bereitgestellt. Das Halbleiterbauteil umfasst einen Emitter, welcher auf der ersten Seite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, worin der Emitter seitlich von der Randregion umgeben ist, einen Kontakt, der auf der ersten Seite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei der Kontakt den Emitter zumindest teilweise bedeckt; und worin der Emitter und die Randregion implantierte Schwermetallatome umfassen, die als Rekombinationszentren fungieren, und worin eine Schwermetallkonzentration in der Randregion höher als im Emitter ist.
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In noch einem weiteren Aspekt wird ein Zwischenprodukt im Herstellungsprozess eines vertikalen Halbleiterbauteils bereitgestellt. Das Zwischenprodukt weist ein Halbleitersubstrat und eine Randregion auf und umfasst ferner einen Emitter, welcher einen Dotanden umfasst, wobei die Dotandenkonzentration im Emitter höher als in der Randregion ist; eine Oxidschicht, welche auf einer ersten Seite des Halbleitersubstrats zumindest teilweise mittels Tempern bereitgestellt wird, worin die Oxidschicht eine zweite Dicke in einer zweiten, den Emitter bedeckenden Region aufweist, und wobei die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist, wobei eine implantierte Schwermetallkonzentration in der Randregion höher als im Emitter ist.
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Fachleute werden zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen, wenn sie die folgende Detailbeschreibung lesen und die beiliegenden Zeichnungen ansehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Bauteile in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen steht das Veranschaulichen der Prinzipien der Erfindung im Vordergrund. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Bauteile. In den Zeichnungen:
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stellen 1 bis 5 ein Verfahren gemäß Ausführungsformen dar, wobei Zwischenprodukte und Halbleitervorrichtungen gemäß Ausführungsformen gezeigt werden;
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stellt 6 eine Implantation mit zwei unterschiedlichen Energien gemäß eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen dar.
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DETAILBESCHREIBUNG
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In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil davon bilden und in welchen mittels Veranschaulichung konkrete Ausführungsformen gezeigt werden, in welchen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird Richtungsterminologie wie z.B. „obere/r/s“, „untere/r/s“, „vordere/r/s“, „hintere/r/s“, „vorderste/r/s“, „hinterste/r/s“ unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Bauteile von Ausführungsformen in einer Reihe unterschiedlicher Richtungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise beschränkend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Detailbeschreibung soll daher nicht in einem beschränkenden Sinn verstanden werden, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird von den beigefügten Ansprüchen definiert.
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Nun wird detailliert auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, wobei ein oder mehrere Beispiele davon in den Figuren dargestellt sind. Jedes Beispiel wird zum Zweck der Beschreibung bereitgestellt und soll die Erfindung nicht beschränken. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, in oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung soll derartige Modifikationen und Varianten umfassen. Die Beispiele werden unter Verwendung einer speziellen Ausdrucksweise beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkend interpretiert werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen rein veranschaulichenden Zwecken. Aus Gründen der Klarheit wurden dieselben Elemente oder Herstellungsschritte in den unterschiedlichen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, sofern nichts anderes angegeben wird.
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Der Begriff „horizontal“ soll, wie in dieser Beschreibung verwendet, eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen ersten oder Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats oder -körpers ist. Dies kann, zum Beispiel, die Oberfläche eines Wafers oder eines Nacktchips sein.
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Der Begriff „vertikal“ soll, wie in dieser Beschreibung verwendet, eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht auf die erste Oberfläche ist, d.h. parallel zur Normalenrichtung der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder -körpers.
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In dieser Beschreibung wird p-dotiert als erster Leitfähigkeitstyp bezeichnet, während n-dotiert als zweiter Leitfähigkeitstyp bezeichnet wird. Alternativ dazu können die Halbleitervorrichtungen mit entgegengesetzten Dotierungsbeziehungen ausgebildet sein, sodass der erste Leitfähigkeitstyp n-dotiert und der zweite Leitfähigkeitstyp p-dotiert sein kann. Ferner stellen einige Figuren relative Dotierungskonzentrationen dar, indem sie „–“ oder „+“ neben dem Dotierungstyp anzeigen. Zum Beispiel bedeutet „n–“ eine Dotierungskonzentration, die geringer als die Dotierungskonzentration einer „n“-dotierten Region ist, während eine „n+“-dotierte Region eine höhere Dotierungskonzentration als die „n“-dotierte Region aufweist. Das Anzeigen der relativen Dotierungskonzentration bedeutet jedoch nicht, dass Dotierungsregionen derselben relativen Dotierungskonzentration dieselbe absolute Dotierungskonzentration aufweisen müssen, solange nichts anderes angegeben wird. Zum Beispiel können zwei unterschiedliche n+-dotierte Regionen unterschiedliche absolute Dotierungskonzentrationen aufweisen. Dasselbe trifft zum Beispiel auf eine n+-dotierte und eine p+-dotierte Region zu.
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Konkrete Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, betreffen, ohne auf diese beschränkt zu sein, Halbleiterdioden, insbesondere bipolare Halbleiterdioden und Verfahren zum Ausbilden von Halbleiterdioden. Typischerweise ist die Halbleiterdiode eine Hochspannungsdiode, welche ein aktives Gebiet zum Leiten und/oder Gleichrichten sowie ein Randgebiet aufweist, welches eine Randabschlussstruktur aufweist. Im Allgemeinen werden die Begriffe „Halbleitervorrichtung“ und „Halbleiterbauteil“ hier synonym verwendet.
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Der Begriff „Hochspannungsdiode“ soll, wie in dieser Beschreibung verwendet, eine Halbleiterdiode auf einem einzelnen Chip mit hohen Spannungs- und/oder hohen Strom-Schaltfähigkeiten beschreiben. Typischerweise weist eine Hochspannungsdiode einen Nennwert für Sperrspannungen von insbesondere über etwa 400 V und vorzugsweise über etwa 1000 V oder sogar über 1,5 kV auf.
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Um die Intensität der elektrischen Felder in der Nähe des Randes eines gleichrichtenden Übergangs (z.B. eines pn-Übergangs) zu verringern, können Hochspannungs-Halbleitervorrichtungen eine Randabschlussstruktur in einem Randgebiet umfassen, welches rund um ein aktives Gebiet angeordnet ist. Der Begriff „Randabschlussstruktur“ soll, wie in dieser Beschreibung verwendet, eine Struktur beschreiben, die eine Übergangsregion bereitstellt, in der sich die hohen elektrischen Felder rund um das aktive Gebiet der Halbleitervorrichtung schrittweise zum Potential am Rand der Vorrichtung verändern. Die Randabschlussstruktur kann die Feldintensität rund um die Abschlussregion des gleichrichtenden Übergangs zum Beispiel senken, indem die elektrischen Feldlinien über die Abschlussregion verteilt werden.
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Im Kontext der vorliegenden Beschreibung sollen die Begriffe „Feldplatte“ und „Feldelektrode“ eine Elektrode beschreiben, die neben einem pn-Übergang angeordnet und so konfiguriert ist, um einen verarmten Bereich zumindest einer der Halbleiterregionen, welche den pn-Übergang bilden, zu erweitern, indem eine geeignete Spannung angelegt wird. Die Feldplatte kann von der Halbleiterregion isoliert sein oder mit zumindest einer der Halbleiterregionen in elektrischem Kontakt stehen. Um die Feldplatte als Randabschlussstruktur zu betreiben, wird eine Spannung, welche an eine p-Typ-Halbleiterregion angelegt ist, die einen pn-Übergang mit einer n-Typ-Halbleiterregion bildet, auch an die Feldplatte angelegt. Die p-Typ-Halbleiterregion kann eine Anodenregion einer Halbleiterdiode bilden oder kann eine weitere p-Typ-Halbleiterregion bilden, die in die n-Typ-Halbleiterregion eingebettet ist. Die weitere p-Typ-Halbleiterregion kann, von oben betrachtet, zum Beispiel als Insel, Streifen und geschlossenes, im Wesentlichen ringförmiges Gebiet ausgebildet sein. Eine einzelne Halbleiterdiode kann eine oder mehrere Feldplatten aufweisen, die auf unterschiedlichen Spannungen liegen können.
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Im Kontext der vorliegenden Beschreibung sollen die Begriffe „verarmt“ und „vollständig verarmt“ beschreiben, dass eine Halbleiterregion im Wesentlichen keine freien Ladungsträger umfasst.
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Im Kontext der vorliegenden Beschreibung können die Begriffe „Energie“ und „Implantationsenergie“ synonym verwendet werden und betreffen die kinetische Energie von Ionen, die in ein Halbleitersubstrat implantiert sind.
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Im Kontext der vorliegenden Beschreibung soll der Begriff „Metallisierung“ eine Region oder eine Schicht mit metallischen oder metallähnlichen Eigenschaften bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit beschreiben. Eine Metallisierung kann mit einer Halbleiterregion in Kontakt stehen, um eine Elektrode, eine Kontaktstelle und/oder einen Anschluss der Halbleitervorrichtung zu bilden. Die Metallisierung kann aus einem Metall wie z.B. Al, Ti, W, Cu und Co bestehen oder dieses umfassen, kann aber auch aus einem Material bestehen, das metallische oder metallähnliche Eigenschaften in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit aufweist, wie z.B. aus hoch dotiertem n-Typ- oder p-Typ-Poly-Si, TiN oder einem elektrisch leitfähigen Silizid wie z.B. TaSi2, TiSi2, PtSi, CoSi2, WSi2 oder Ähnlichem. Die Metallisierung kann auch unterschiedliche elektrisch leitfähige Materialien umfassen, zum Beispiel einen Stapel dieser Materialien.
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Im Allgemeinen betreffen Ausführungsformen eine Halbleitervorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben. Die Halbleitervorrichtung umfasst ein Halbleitersubstrat mit einer ersten Seite und einer Randregion. Ein Emitter wird auf der ersten Seite des Halbleitersubstrats ausgebildet, indem es mit einem Dotanden dotiert wird, zum Beispiel Phosphor. Die Dotandenkonzentration ist in der Emitterregion höher als in der Randregion. Danach wird eine Oxidschicht auf der ersten Seite ausgebildet; typischerweise wird dies zumindest teilweise durch Tempern realisiert. Die Oxidschicht wächst in der Emitterregion und in der Randregion mit unterschiedlichen Wachstumsraten. Dies ist auf einen Einfluss der Dotandenkonzentration auf das Wachstum der Oxidschicht zurückzuführen. Die resultierende Oxidschicht weist daher eine erste, größere Dicke in einer ersten, die Emitterregion bedeckenden Region auf. Die Oxidschicht weist ferner eine zweite, geringere Dicke in einer zweiten, die Randregion bedeckenden Region auf. Daher weist das Halbleitersubstrat eine Oxidschicht mit unterschiedlichen Dicken auf, wobei die größere Dicke über der Emitterregion angeordnet ist.
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Diese variierende Dicke der Oxidschicht, die zumindest zwei Regionen mit unterschiedlicher Dicke aufweist, wird dann verwendet, um die Ablagerung von Schwermetallionen durch Implantation zu beeinflussen, die typischerweise Pt, Au oder andere geeignete Metalle sein können. Die Ionen werden in der ersten Seite des Halbleitersubstrats implantiert, auf welcher der Emitter angeordnet ist. Während des Implantationsprozesses werden zumindest zwei Implantationsenergieniveaus der Schwermetallionen eingesetzt. Schwermetallionen mit einer ersten Implantationsenergie werden durch die Oxidschicht in das Halbleitersubstrat implantiert. Die erste Implantationsenergie wird so gewählt, dass ein Ablagerungsspitzenwert in einer ersten Tiefe von der Oberfläche des Substrats auftritt, der so festgelegt wird, dass die Mehrheit der Ionen, die auf das Gebiet treffen, in dem der Emitter – welcher mit der dickeren Oxidschicht bedeckt ist – angeordnet ist, am stärksten in der Oxidschicht abgelagert werden und den Emitter unterhalb der Oxidschicht nicht erreichen. Im Gegensatz dazu durchdringen die Schwermetallionen, welche das Substrat in der Randregion erreichen, welche mit der Oxidschicht mit geringer Dicke bedeckt ist, diese Oxidschicht hauptsächlich ohne Störung und werden in der Randregion des Substrats daher hauptsächlich unterhalb der Oxidschicht abgelagert. Das bedeutet, dass die implantierte/abgelagerte Schwermetallkonzentration aufgrund der Absorption der Ionen mit der niedrigeren Energie in der Oxidschicht mit der ersten (und größeren Dicke), welche die Emitterregion bedeckt, in der Randregion höher ist als in der Emitterregion. Dieser Implantationsschritt führt im Vergleich zum Zustand vor der Implantation und auch im Vergleich zur Emitterregion zu einer verringerten Ladungsträgerlebensdauer in der Randregion.
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In einem weiteren, zweiten Implantationsschritt werden Schwermetallionen – typischerweise, aber nicht notwendigerweise vom selben Typ wie im oben beschriebenen Verfahren – mit einer zweiten, höheren Energie abgelagert. Diese zweite Energie wird so gewählt, dass die Schwermetallionen nicht nur die dünnere Oxidschicht, welche die Randregion bedeckt, durchdringen oder durch diese transmittiert werden, sondern auch die dickere Oxidschicht ohne Störung, oder nur mit minimaler Störung, durchdringen. Daher werden die Ionen aus dem zweiten Implantationsschritt sowohl in der Emitterregion als auch der Randregion ohne signifikante Störung durch die Oxidschicht transmittiert und werden nur in den Regionen unter der Oxidschicht, das heißt in der Randregion und in der Emitterregion, gestoppt und daher abgelagert. Dadurch wird die Schwermetallionenkonzentration in der Randregion weiter von dem oben beschriebenen, aus der ersten Implantation resultierenden Pegel erhöht, und die Konzentration in der Emitterregion wird ebenfalls gesteigert. Dabei werden die Parameter der zweiten Implantation typischerweise so gewählt, das hauptsächlich beziehungsweise vor allem die Ladungsträgerlebensdauer in der Emitterregion gesteuert wird, aber gleichzeitig auch die Ladungsträgerlebensdauer in der Randregion beeinflusst wird. Nachdem sowohl der erste Implantationsschritt als auch der zweite Implantationsschritt beendet sind, das heißt, wenn Ionen mit zumindest zwei unterschiedlichen Energien abgelagert wurden, muss das Halbleitersubstrat getempert werden, um die implantierten Schwermetallionen im Substrat zu aktivieren.
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Abschließend kann man feststellen, dass durch das Variieren der verwendeten Ionenenergien im ersten und zweiten Implantationsschritt, der Intensität und Dauer der jeweiligen Implantierungen sowie der Dicke der Oxidschicht, welche das Halbleitersubstrat umgibt, die Ladungsträgerlebensdauer sowohl in der Emitterregion als auch der Randabschlussregion in Ausführungsformen äußerst flexibel variiert werden kann. Es wird angenommen, dass Verfahren gemäß oben beschriebenen Ausführungsformen bei der Herstellung eines breiten Spektrums von Halbleitervorrichtungen verwendet werden können, und um Halbleitervorrichtungen zu erzielen, die sehr unterschiedliche Charakteristika aufweisen, weil die Ladungsträgerdauer in den unterschiedlichen Regionen dazu verwendet werden kann, um eine Reihe von Eigenschaften und Charakteristika zu beeinflussen. Daher sind Parameter, welche die Ablagerungscharakteristika in den verschiedenen Zielgebieten wie z.B. der Emitter- und der Randregion beeinflussen, unter anderem die beiden unterschiedlichen Dicken der Oxidschicht und auch die beiden unterschiedlichen Energien der abgelagerten Ionen.
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Es wird angenommen, dass ein Fachmann Ablagerungsraten und erreichte Zielkonzentrationen und -profile, welche von den verwendeten Halbleitermaterialien sowie dem eingesetzten Typ von Schwermetallionen abhängen, mittels gut bekannter numerischer Simulationsverfahren leicht berechnen kann. Es ist zu beachten, dass, da die Ablagerungstiefe, Reichweite der Ionen etc. abhängig vom Typ der abgelagerten Ionen und dem Typ der Zielmaterialien signifikant variieren, in dieser Offenbarung lediglich verdeutlicht wird, wie tief die Ionen zum Beispiel in Bezug auf die Dicke der Oxidschicht abgelagert werden sollen, weil die Ablagerungstiefe einer der Faktoren ist, die in Verfahren gemäß Ausführungsformen berücksichtigt werden müssen.
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Wenn man die abgelagerten Schwermetallionen Pt zum Beispiel durch Au ersetzt, würden dieselbe Oxidschichtdicke und dieselben Ablagerungsenergien deutlich andere Ablagerungsergebnisse liefern, und daher müssten diese Parameter angepasst werden, um mit einem anderen Ionentyp sinnvolle Ergebnisse zu erzielen.
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1 bis 5 stellen ein Verfahren gemäß Ausführungsformen dar. Die Halbleitervorrichtung, die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann, kann zum Beispiel eine Diode, insbesondere eine Hochspannungsdiode sein. Ebenso kann durch Einsatz der Verfahren gemäß Ausführungsformen eine Vielzahl anderer Halbleitervorrichtungen hergestellt werden, welche eine Emitterregion 5 und eine Randregion 12 aufweisen, wie zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, ein IGBT oder ein GTO-Thyristor.
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1 zeigt ein Halbleitersubstrat 1 mit einer ersten Seite 15, das in einem Verfahren gemäß Ausführungsformen verwendet wird. Auf der ersten Seite 15 des Halbleitersubstrats 1 wird ein Emitter 5 ausgebildet. Dies wird typischerweise durch das Dotieren mit einem Dotanden realisiert, zum Beispiel einem n-Dotanden wie z.B. Phosphor. Typischerweise ist die Phosphorkonzentration in der Emitterregion höher als in einer den Emitter 5 umgebenden Region, die hier Randregion 12 genannt wird. Noch typischer ist die Dotandenkonzentration in der Randregion 12 sehr gering oder nahezu null im Vergleich zum Emitter 5.
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In 2 wird gezeigt, dass eine Oxidschicht 14 mit einer ersten Region 20, welche den Emitter 5 bedeckt, und mit einer zweiten Region 25, welche die Randregion 12 bedeckt, bereitgestellt wird. Die Oxidschicht 14 wird typischerweise mittels eines thermischen Prozesses wie z.B. Tempern bereitgestellt, wobei eine Oxidschicht auf der Oberfläche der ersten Seite 15 des Halbleitersubstrats 1 wächst. Dadurch fördert die Emitterregion 5, die zum Beispiel, aber nicht ausschließlich Phosphor dotiert ist, das Oxidwachstum um etwa einen Faktor zwei im Vergleich zu einem Wachstum in der nicht mit Phosphor dotierten Randregion 12. Infolgedessen ist nach einiger Zeit der Erhitzung, oder genauer gesagt des Temperns, die erste Dicke d1 der ersten Region 20 der Oxidschicht 14 größer als, typischerweise etwa doppelt so groß wie, die zweite Dicke d2 der zweiten Region 25 der Oxidschicht 14. Dies wird beispielhaft in 2 gezeigt. Es ist hier zu betonen, dass die unterschiedlichen Dicken auf natürliche Weise entstehen, wenn der Prozess gemäß Ausführungsformen angewandt wird, und nicht durch spezielle zusätzliche Maßnahmen wie z.B. Fotomasken etc. gefördert werden müssen. Die unterschiedliche Dicke der ersten Region 20 und der zweiten Region 25 der Oxidschicht 14 werden in der Folge als eine Art Maske, oder genauer gesagt als ionenenergieabhängiger Absorber zur tiefenselektiven Ionenimplantation in das Halbleitersubstrat 1 verwendet. Die jeweilige Zusammensetzung der Oxidschicht 14 kann sich von der hier zuvor beschriebenen Struktur unterscheiden, und die Ausbildung der Oxidschicht 14 kann in Ausführungsformen zusätzlich zum Tempern weitere Prozessschritte umfassen, was weiter unten beschrieben wird.
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In 3 wird gezeigt, wie Schwermetallionen 40, in diesem Beispiel Pt-Ionen, in das Halbleitersubstrat 1 auf der ersten Seite 15 mit einer ersten Implantationsenergie E1 gemäß Ausführungsformen implantiert werden. E1 wird so gewählt, dass die Schwermetallionen 40, welche die erste Region 20 der Oxidschicht 14 erreichen, beinahe gänzlich in der Oxidschicht 14 absorbiert werden und daher den darunterliegenden Emitter 5 nicht erreichen. In der Randregion 12 ist die zweite Region 25 der Oxidschicht 14 jedoch dünner als in der ersten Region 20, welche den Emitter 5 bedeckt, sodass der Großteil der Schwermetallionen 40 durch die zweite Region 25 der Oxidschicht 14 transmittiert wird und die darunterliegende Randregion 12 des Halbleitersubstrats 1 erreichen kann. Die Schwermetallionen 40 werden daher in der Randregion 12 abgelagert und verringern die Ladungsträgerlebensdauer lokal in der Randregion 12, nachdem ein darauffolgendes Tempern durchgeführt wird, um die Schwermetallionen 40 im Gitter des Halbleitersubstrats 1 zu aktivieren. Es wird angenommen, dass die erste Implantationsenergie E1 und die beiden unterschiedlichen Dicken der ersten Region 20 und der zweiten Region 25 der Oxidschicht 14 dementsprechend gewählt werden müssen, um das obige Ablagerungsverhalten zu erzielen.
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In 4 wird gezeigt, wie Schwermetallionen 40 mit einer zweiten Implantationsenergie E2 gemäß Ausführungsformen in das Halbleitersubstrat 1 auf der ersten Seite 15 implantiert werden. E2 wird so gewählt, dass die Schwermetallionen 40, welche die erste Region 20 der Oxidschicht 14 erreichen, eine ausreichend hohe kinetische Energie aufweisen, um durch die dickere, erste Region 20 der Oxidschicht 14 transmittiert zu werden, und die Mehrheit der Ionen mit der zweiten Implantationsenergie E2 daher den darunterliegenden Emitter 5 erreichen. In der Randregion 12, ist die zweite Region 25 der Oxidschicht 14 dünner als in der ersten Region 20, welche den Emitter 5 bedeckt, sodass die Schwermetallionen 40 durch die zweite Region 25 der Oxidschicht 14 transmittiert werden und die Randregion 12 des Halbleitersubstrats 1 erreichen. Die Schwermetallionen 40 mit der zweiten Energie E2 werden daher ebenfalls in der Randregion 12 abgelagert und verringern ferner die Ladungsträgerlebensdauer lokal in der Randregion 12, nachdem ein Tempern durchgeführt wurde, um die Schwermetallionen im Gitter des Halbleitersubstrats 1 zu aktivieren.
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Typischerweise wird in Ausführungsformen eine aus der ersten Energie E1 und der zweiten Energie E2 so gewählt, dass die Reichweite der entsprechenden Schwermetallionen 40 geringer als die erste Dicke d1 der ersten Region der Oxidschicht 14, aber größer als die zweite Dicke d2 der zweiten Region 25 ist. Dies stellt bereit, dass die Mehrheit der Schwermetallionen 40 mit der ersten Energie E1 die Emitterregion 5 durch die Oxidschicht 14 mit der ersten Dicke in der ersten Region 20 nicht erreicht, aber die Randregion 12 durch die Oxidschicht 14 mit der geringeren, zweiten Dicke in der zweiten Region 25 erreicht. Die andere aus der ersten und zweiten Energie wird so gewählt, dass die Reichweite der entsprechenden Schwermetallionen 40 größer als die erste Dicke in der ersten Region 20 und auch größer als die zweite Dicke in der zweiten Region 25 ist, sodass die Schwermetallionen 40 sowohl die Emitterregion 5 als auch die Randregion 12 durch die Oxidschicht 14 erreichen können.
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Nach den beschriebenen Implantationsschritten, die oben unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben wurden, wird die Oxidschicht 14 typischerweise vollständig entfernt. Dies kann zum Beispiel durch ein selektives Nassätzen oder durch andere geeignete Maßnahmen durchgeführt werden, die dem Fachmann bekannt sind, wie zum Beispiel CMP. Die resultierende Halbleitervorrichtung 10, die ferner mit einer ersten Kontaktschicht 45, die mit dem Emitter 5 in Kontakt steht, und einer zweiten Kontaktschicht 48 ausgestattet ist, die mit dem Körper des Halbleitersubstrats 1 in Kontakt steht, wird in 5 gezeigt. In Ausführungsformen können der in 5 gezeigten Halbleitervorrichtung 10 ferner Elemente bereitgestellt sein, um einen Verarmungsbereich zumindest einer der Halbleiterregionen zu erweitern, die einen pn-Übergang bilden, nämlich eine Feldplatte oder eine Feldelektrode. Die Feldplatte/-elektrode kann vom Halbleitersubstrat 1 und vom Emitter 5 isoliert sein oder in elektrischem Kontakt mit zumindest einer dieser Regionen stehen. Um die Feldplatte/-elektrode als Randabschlussstruktur zu betreiben, wird eine angelegte Spannung auch an die Feldplatte angelegt. Ebenso können mehr Feldplatten bereitgestellt werden, die sich auf unterschiedlichen Spannungen befinden können.
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In 6 wird die Beziehung zwischen der ersten Energie E1 und der zweiten Energie E2, die – wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben – bei der Implantation der Schwermetallionen 40 eingesetzt werden, genauer gemäß Ausführungsformen beschrieben. Im oberen Teil von 6 wird eine Teilansicht der Oxidschicht 14 gezeigt, die erstmals unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde. Die Oxidschicht 14 weist zwei Regionen auf, eine erste Region 20 mit einer ersten Dicke d1, und eine zweite Region 25 mit einer zweiten Dicke d2. Daher ist d1 signifikant größer als d2, zumindest um einen Faktor von 1,5 oder mehr, noch bevorzugter um einen Faktor von etwa 2 bis 3 oder größer. Bei der Energie E1, die im linken Diagramm dargestellt ist, kann beobachtet werden, dass der Peak, welcher die Anzahl von Ionen symbolisiert, die eine bestimmte Eindringtiefe erreichen, zwischen d1 und d2 ein Maximum hat. Das bedeutet, dass der Großteil der Ionen durch die zweite Region 25 der Oxidschicht 14 mit der kleineren Dicke d2 transmittiert wird. Ionen mit der Energie E1 haben jedoch eine geringere Reichweite als d1, was bedeutet, dass sie in der ersten Region 20 mit der Dicke d1 gestoppt und absorbiert werden. Wenn wir uns dem rechten Diagramm in 6 zuwenden, haben Ionen mit der höheren Energie E2 eine Reichweite, die sowohl d1 als auch d2 übersteigt, weshalb die Schwermetallionen 40 sowohl in der ersten Region 20 mit der Dicke d1 als auch in der zweiten Region 25 mit der Dicke d2 durch die Oxidschicht 14 transmittiert werden.
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In Ausführungsformen können die Schwermetallionen eines aus Pt oder Au umfassen. Als ein Dotand für den Emitter 5 können allgemein bekannte Dotanden gewählt werden, welche die entgegengesetzte Charakteristik zum Dotanden des Halbleitersubstrats 1 aufweisen.
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In beispielhaften, nicht beschränkenden Ausführungsformen, die eine Hochspannungs-pn-Diode mit einer Nennspannung von etwa 1 kV bis etwa 7 kV betreffen, ist die erste Dicke d1 der ersten Region 20 der Oxidschicht 14 von etwa 30 nm bis etwa 40 nm. Die zweite Dicke d2 der zweiten Region 25 der Oxidschicht 14 ist von etwa 10 bis etwa 20 nm. Die Peaktiefe der ersten Implantationsenergie E1 ist von etwa 25 bis etwa 35 nm, und die Peaktiefe der zweiten Implantationsenergie ist von etwa 50 bis etwa 70 nm. Diese Werte entsprechen einer ersten Implantationsenergie E1 von etwa 30 bis etwa 40 keV, wobei eine zweite Implantationsenergie E2 von etwa 130 bis etwa 160 keV ist, wobei sich alle Werte auf Pt als abgelagerte Ionen beziehen.
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Im Allgemeinen werden die beschriebenen Implantierungen in Ausführungsformen in auf eine durch die Implantation beschränkte Weise durchgeführt, im Gegensatz zu einer durch die Diffusion begrenzten Weise. Die vertikale Halbleitervorrichtung 10 kann in Ausführungsformen zum Beispiel eine Diode, eine Hochspannungsdiode, ein IBGT, ein GTO-Thyristor oder jegliche andere Halbleitervorrichtung, die mit einem Verfahren hergestellt wird, welches die unter Bezugnahme auf 1 bis 5 gezeigten Verfahrensschritte oder Variationen davon umfasst.
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Die Oxidschicht 14 kann erzeugt werden, indem das Halbleitersubstrat 1 bei einer Temperatur von zum Beispiel etwa 600° C bis etwa 900 °C getempert wird. Alternativ dazu kann die Oxidschicht mittels eines Prozesses erzeugt werden, der TEOS verwendet. Auch kann ein erster Teil der Oxidschicht 14 durch Tempern erzeugt werden, und ein zweiter Teil (eine zweite Schicht) kann mittels eines weiteren Verfahrens wie z.B. TEOS-Abscheidung erzeugt werden.
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Im Allgemeinen kann die erste Dicke der Oxidschicht 14 in Bezug auf das gesamte Spektrums möglicher Anwendungen der offenbarten Verfahren in der Produktion unterschiedlicher Halbleitervorrichtungen von etwa 20 nm bis etwa 600 nm sein, und die zweite Dicke der Oxidschicht 14 kann von etwa 10 bis etwa 300 nm sein. Die erste Energie E1 und die zweite Energie E2 können beide im Bereich von etwa 30 keV bis etwa 300 keV sein, wenn Pt-Ionen als Schwermetallionen verwendet werden.
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In Ausführungsformen wird ein Zwischenprodukt 7 aus dem Produktionsprozess eines vertikalen Halbleiterbauteils 10 bereitgestellt. Es umfasst ein Substrat 1 und eine Randregion 12. Es umfasst ferner eine Emitterregion 5 mit einem Phosphordotanden, wobei die Phosphorkonzentration in der Emitterregion 5 höher ist als in der Randregion 12, eine Oxidschicht 14 auf einer ersten Seite 15 des Zwischenproduktes, welche durch Tempern ausgebildet wird, wobei die Oxidschicht 14 eine erste Dicke d1 in einer ersten Region 20 aufweist, welche die Emitterregion 5 bedeckt. Die Oxidschicht 14 weist in einer zweiten Region 25, welche die Randregion 12 bedeckt, eine zweite Dicke d2 auf. Die erste Dicke d1 ist größer als die zweite Dicke d2, und eine implantierte Schwermetallionenkonzentration in der Randregion 12 ist höher als in der Emitterregion 5.
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Obwohl verschiedene, beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen, ohne vom Sinn und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für Durchschnittsfachleute einleuchtend sein, dass andere Bauteile, welche dieselben Funktionen ausführen, auf geeignete Weise als Ersatz dienen können. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine konkrete Figur erklärt wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, sogar dann, wenn dies nicht explizit erwähnt wurde. Es ist beabsichtigt, dass derartige Modifikationen des erfinderischen Konzepts von den beiliegenden Ansprüchen umfasst werden.
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Räumliche Begriffe wie z.B. „unter“, „unterhalb“, „untere/r/s“, „über“, „obere/r/s“ und Ähnliches werden zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements in Bezug auf ein zweites Element zu beschreiben. Diese Begriffe sollen, zusätzlich zu verschiedenen Orientierungen, die in den Figuren dargestellt sind, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung beinhalten. Darüber hinaus werden Begriffe wie „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und Ähnliches ebenso verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Bereiche etc. zu beschreiben und sollen nicht beschränkend sein. In der gesamten Beschreibung betreffen ähnliche Begriffe ähnliche Elemente.
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Wie hier verwendet sind die Begriffe „aufweisend“, „enthaltend“, „einschließend“, „umfassend“ und Ähnliches offene Begriffe, welche das Vorhandensein angegebener Elemente oder Merkmale anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein/eine/einer“ und „der/die/das“ sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, solange der Kontext nicht klar etwas Anderes anzeigt.
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Unter Berücksichtigung des obigen Spektrums an Varianten und Anwendungen ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung weder durch die vorangehende Beschreibung beschränkt wird noch durch die beiliegenden Zeichnungen beschränkt wird. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung allein durch die folgenden Patentansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente beschränkt.