DE102015107085A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen und Sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren enthaltende Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen und Sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren enthaltende Halbleitervorrichtung Download PDF

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Johannes Georg Laven
Hans-Joachim Schulze
Moriz Jelinek
Michael Stadtmüller
Werner Schustereder
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung umfasst ein Bestimmen einer Information, die eine extrinsische Dotierstoffkonzentration (Dext) und eine intrinsische Sauerstoffkonzentration (Doi) in einem Halbleiterwafer (100) angibt. Auf der Grundlage der Information über die extrinsische Dotierstoffkonzentration (Dext) und die intrinsische Sauerstoffkonzentration (Doi) sowie Information über eine Erzeugungsrate oder eine Dissoziationsrate von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in dem Halbleiterwafer (100) wird ein Prozesstemperaturgradient (Tproc(t)) bestimmt, um sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren zu erzeugen oder zu dissoziieren, um eine Differenz zwischen einer Zieldotierstoffkonzentration (Dtarg) und der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext) zu kompensieren.

Description

  • HINTERGRUND
  • Leistungshalbleitervorrichtungen umfassen typischerweise eine niedrig dotierte Driftzone, über welcher die Sperrspannung abfällt. Typischerweise geht die Driftzone auf eine epitaktische Schicht zurück, die auf einer stark dotierten Halbleiterbasis aufgewachsen ist. Ein In-situ-Dotieren während des epitaktischen Wachstums resultiert in einer hochhomogenen Verteilung der Dotierstoffe innerhalb der epitaktischen Schicht. Da die Wachstumsrate von epitaktischen Schichten etwa 1 μm je Minute ist, ist der Prozess aufwendig, wenn Driftzonen eine Dicke von etwa 200 μm und mehr für Sperrspannungen jenseits 2000 V überschreiten. Daher werden Halbleiterwafer für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit hoher Sperrfähigkeit typischerweise durch Sägen von Silizium-Ingots bzw. -Barren erhalten, die aus einer lokalisierten geschmolzenen Zone gewachsen sind. Während des Floating-Zone-Schmelzprozesses nimmt der wachsende Siliziumkristall typischerweise Dotierstoffatome unter einer vergleichsweise hohen Homogenität über die Länge und den Durchmesser des Silizium-Ingots auf.
  • Es ist wünschenswert, die Herstellung von Leistungshalbleitervorrichtungen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsbeispiele.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung ein Bestimmen einer Information, die eine extrinsische bzw. Störstellen-Dotierstoff- und eine intrinsische Sauerstoffkonzentration in einem Halbleiterwafer anzeigt. Auf der Grundlage der Information über die extrinsische Dotierstoffkonzentration und die intrinsische Sauerstoffkonzentration sowie eine Erzeugungsrate oder Dissoziationsrate von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in dem Halbleiterwafer wird ein Prozesstemperaturgradient zum Erzeugen oder Dissoziieren von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren bestimmt, um eine Differenz zwischen einer Zieldotierstoffkonzentration und der extrinsischen Dotierstoffkonzentration zu kompensieren.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Halbleiterteil, der eine Driftzone mit einer Gesamtdotierstoffkonzentration in der Spanne von 1E12 cm–3 bis 1E17 cm–3, wobei ein Verhältnis von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren zu einer Gesamtheit von extrinsischen Donatoren und den sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren wenigstens 25% ist.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung durch Bestimmen von Information über eine extrinsische Dotierstoffkonzentration und eine intrinsische Sauerstoffkonzentration und durch Kompensieren einer Differenz zwischen einer Zieldotierstoffkonzentration und der extrinsischen Dotierstoffkonzentration durch Erzeugen von OTDs (sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren) in einem Feed-Forward- bzw. Vorwärtsschub-Prozess.
  • 1B ist ein schematisches Diagramm, das die OTD-Konzentration als eine Funktion einer Heiztemperatur bei einer Heizperiode von 5 Stunden und bei einer intrinsischen Sauerstoffkonzentration von 4E17 cm–3 veranschaulicht.
  • 2A ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das dissoziierende OTDs direkt vor einer Messung der extrinsischen Dotierstoff- und der intrinsischen Sauerstoffkonzentrationen sowie eines Hessens einer gegenwärtigen Gesamtkonzentration von Donatoren direkt vor einem Bilden einer vorbestimmten Anzahl von OTDs umfasst.
  • 2B ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das dissoziierende OTDs direkt vor einer Messung der extrinsischen Dotierstoff- und intrinsischen Sauerstoffkonzentrationen und direkt vor einem Bilden einer vorbestimmten Anzahl von OTDs umfasst.
  • 2C ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das dissoziierende OTDs bei einer bekannten Dissoziationsrate umfasst.
  • 2D ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das dissoziierende OTDs bei einer bekannten Dissoziationsrate ohne einen vorausgehenden Erzeugungsschritt umfasst.
  • 2E ist ein schematisches Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel aufgrund von zwei Messungen einer Gesamtdotierstoffkonzentration zu verschiedenen Zeitpunkten.
  • 3A ist ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel einschließlich einer wasserstoffunterstützten Diffusion von ODTs.
  • 3B ist ein schematisches Diagramm, das vertikale wasserstoff- und sauerstoffkorrelierte thermische Donatorgradienten veranschaulicht.
  • 4A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung durch eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Driftzone, in welcher OTDs wenigstens 25% der Gesamtdotierstoffkonzentration darstellen, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 4B ist ein schematisches Diagramm, das ein vertikales Dotierstoffprofil durch die Leistungshalbleitervorrichtung von 4A gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das eine Dotierstoffatome enthaltende Feldstoppzone betrifft.
  • 4C ist ein schematisches Diagramm eines vertikalen Dotierstoffprofiles der Leistungshalbleitervorrichtung von 4A gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf einer wasserstoffunterstützten Diffusion von OTDs beruht.
  • 5A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung einer Leistungshalbleiterdiode mit OTDs, die wenigstens 25% einer Gesamtdotierstoffkonzentration in einer Driftzone darstellen, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 5B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) mit OTDs, die wenigstens 25% einer Gesamtdotierstoffkonzentration in einer Driftzone darstellen, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 5C ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) mit OTDs, die wenigstens 25% einer Gesamtdotierstoffkonzentration in einer Driftzone darstellen, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um noch zu einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur für Veranschaulichungszwecke. Entsprechende Elemente sind durch die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen angegeben, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls der Zusammenhang nicht klar etwas anderes angibt.
  • Der Begriff ”elektrisch verbunden” beschreibt ein permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall- und/oder einen hoch dotierten Halbleiter. Der Begriff ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von ”–” oder ”+” nächst zu dem Dotierungstyp ”n” oder ”p”. Beispielsweise bedeutet ”n–” eine Dotierungskonzentration, die niedriger als die Dotierungskonzentration eines ”n”-Dotierungsbereiches ist, während ein ”n+”-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein ”n”-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene ”n”-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1A zeigt einen Halbleiterwafer 100 bei verschiedenen Stufen eines Verarbeitens bzw. Prozessierens. Das Material des Halbleiterwafers 100 ist ein kristallines Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), ein Silizium-Germanium-Kristall (SiGe), Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) oder irgendein anderer AIIIBV-Halbleiter. Beispielsweise ist der Halbleiterwafer 100 ein einkristalliner Siliziumwafer mit einer planaren Vorder- bzw. Frontoberfläche 101a und einer tragenden bzw. unterstützenden Oberfläche 102a auf der Rückseite entgegengesetzt zu der Vorderfläche 101a. Der Halbleiterwafer 100 kann ein monokristallines Czochralski-Silizium (Cz:Si) sein, das durch Sägen eines zylindrischen Silizium-Ingots bzw. -Barrens erhalten ist, der aus einer Siliziumschmelze in einem Tiegel in einem Czochralski-Prozess in der Abwesenheit von magnetischen Feldern gezogen wurde. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterwafer ein magnetisches Czochralski-Silizium (mCz:Si), das durch Anlegen eines starken Magnetfeldes erhalten ist, das den Konvektionsfluss in der Siliziumschmelze während eines Ausziehens des Silizium-Ingots aus der Siliziumschmelze steuert.
  • Gestalt bzw. Form, Abmessungen und Material des Halbleiterwafers 100 sind kompatibel mit Produktionslinien für auf Silizium beruhende Halbleitervorrichtungen. Beispielsweise kann der Siliziumwafer 100 eine angenähert zylindrische Gestalt haben, wobei der Durchmesser des Siliziumwafers 100 wenigstens 150 mm, z. B. 200 mm (”8 Zoll bzw. Inch”), 300 mm (”12 Zoll”) oder 450 mm (”18 Zoll”) sein kann. Eine Dicke des Halbleiterwafers 100 kann zwischen 100 μm und einigen Millimetern, beispielsweise in einer Spanne von 500 μm bis 2 mm als Beispiel sein.
  • Eine Normale zu der Vorderseite 101a definiert eine vertikale Richtung. Richtungen parallel zu der Vorderseite 101a sind horizontale Richtungen.
  • In einer Produktionslinie ist der Halbleiterwafer 100 einer Sequenz bzw. Folge von Prozessen unterworfen, um elektronische Elemente in und auf dem Halbleiterwafer 100 zu bilden. Zu einer geeigneten Stufe eines Prozessierens bzw. Verarbeitens wird Information hinsichtlich der extrinsischen bzw. Störstellen-Dotierstoffkonzentration Dext und der intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi erhalten.
  • Die extrinsische bzw. Störstellen-Dotierstoffkonzentration Dext ist die Nettodotierstoffkonzentration, die aus dem Gesamtgehalt an Donatoren und Akzeptoren resultiert, beispielsweise n-Typ-Phosphor-(P-) und Arsen-(As-)Atome sowie p-Typ-Bor-(B-)Atome, und kann in einer Spanne von 0 bis 1E14 cm–3, beispielsweise von 5E12 cm–3 bis 1E14 cm–3, sein. Die intrinsische bzw. Eigenleitung-Sauerstoffkonzentration Doi ist die Konzentration von in dem Siliziumkristall gelöstem interstitiellem bzw. Zwischengitter-Sauerstoff. Der Sauerstoffgehalt ist ausreichend hoch, so dass eine genügende Anzahl von OTDs (sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren) gebildet werden kann, und ist gleichzeitig ausreichend niedrig, um die Bildung von Sauerstoff-Ablagerungen bzw. Ausscheidungen zu vermeiden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die intrinsische Sauerstoffkonzentration in einer Spanne von 2E17 cm–3 bis 6E17 cm–3, beispielsweise in einer Spanne von 3E17 cm–3 bis 5E17 cm–3.
  • Die extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext sowie die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi können direkt unabhängig voneinander gemessen werden. Beispielsweise kann der Halbleiterwafer bis zu einer Temperatur erhitzt werden, bei welcher OTDs, die zu einem Anfangszustand des Wafers vorhanden sind, nach einer gewissen Zeit dissoziieren bzw. zerfallen. Vor irgendeinem weiteren Prozess bei Temperaturen, bei welchen die OTDs regeneriert werden können, kann die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi durch Infrarotspektroskopie gemessen werden. Gleichzeitig kann die extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext durch eine Schichtwiderstandsmessung bestimmt werden.
  • Die extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext und die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi können an dem Beginn einer Prozessfolge bzw. -sequenz zum Bilden elektronischer Elemente in dem Halbleiterwafer 100 oder zu irgendeiner späteren Stufe, bevor der Halbleiterwafer 100 in eine Vielzahl von identischen Halbleiterdies getrennt wird, beispielsweise durch Sägen oder Laserschneiden, gemessen werden. Da sich die extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext und die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi beide nur geringfügig längs der Longitudinalachse eines Silizium-Ingots, beispielsweise eines Cz:Si-Ingots, verändern, kann die Messung von beiden Parametern in einem Halbleiterwafer 100 ausreichend repräsentativ für eine Anzahl von benachbarten Wafern sein, und Messungen werden lediglich für jeden n-ten Halbleiterwafer 100 durchgeführt, wobei n ein ganzzahliger Wert größer als 1, beispielsweise größer als 5 oder größer als 9 oder größer als 16, ist.
  • Aus der extrinsischen Dotierstoffkonzentration Dext und der intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi bestimmt eine Steuereinheit 490 einen Prozesstemperaturgradienten Tproc(t) für eine Wärmebehandlung, die in einer vorbestimmten Anzahl von OTDs resultiert, so dass eine finale Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot einschließlich beiden extrinsischen Dotierstoffen und OTDs eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, beispielsweise um nicht mehr als 13%, um nicht mehr als 8% oder um nicht mehr als 5% von einer Zieldotierstoffkonzentration Dtarg abweicht.
  • Der Prozesstemperaturgradient Tproc(t) kann ein isothermer Gradient sein, der durch eine konstante Prozesstemperatur Tproc, eine Prozesszeit tproc, während welcher die Prozesstemperatur Tproc einwirkt, sowie fallende und auslaufende Temperaturrampen vor und nach Einwirken von Tproc definiert ist.
  • Die Steuereinheit 490 kann den Prozesstemperaturgradienten Tproc(t), beispielsweise eine konstante Prozesstemperatur Tproc und eine Prozesszeit tproc zum Einwirken der konstanten Prozesstemperatur Tproc durch Berücksichtigen von beiden Größen aus einer bekannten OTD-Erzeugungsrate und Information über den gegenwärtigen Gehalt von OTDs oder alternativ Annehmen der Abwesenheit von irgendwelchen OTDs bestimmen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel bestimmt die Steuereinheit 490 den Prozesstemperaturgradienten Tproc(t) durch Berücksichtigen einer OTD-Dissoziationsrate in dem Halbleiterwafer 100. Die effektive Temperaturspanne zum Bilden von OTDs in Silizium ist eine Spanne von 350°C bis etwa 500°C, beispielsweise von 400°C bis 500°C.
  • Der Halbleiterwafer 100 kann der Wärmebehandlung in einer Heizkammer 470 zu irgendeiner späteren Stufe eines Prozessierens nach Erhalten der Information über die extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext sowie die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi und bevor der Halbleiterwafer 100 in eine Vielzahl von identischen Halbleiterdies bzw. -chips zerlegt wird, unterworfen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Wärmebehandlung nach Bilden von Metallisierungsschichten auf der ersten Oberfläche und auf der tragenden Oberfläche vorgenommen. Die Wärmebehandlung kann eine zugeeignete Wärmebehandlung sein, die exklusiv zum Erzeugen der gewünschten Anzahl von OTDs dient.
  • Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Wärmebehandlung einem weiteren Zweck dienen, beispielsweise zum Ausheilen von Implantationsschäden oder für die Bildung von ohmschen metallischen Kontakten. Beispielsweise kann die Aktivierung einer Feldstoppimplantation mit der Erzeugung von OTDs kombiniert werden. Die Temperatur der Aktivierung der Feldstoppimplantation kann bei etwa 450°C sein, wo die OTD-Erzeugungsrate vergleichsweise hoch ist und die Aktivierung von Protonen lediglich einen geringen Grad an Abhängigkeit von der Zeit zeigt, so dass die Zeitdauer der Wärmebehandlung an die gewünschte OTD-Konzentration angepasst werden kann.
  • Wenn die Wärmebehandlung auf der Erzeugung von OTDs beruht, kann eine vorausgehende Hilfswärmebehandlung den Halbleiterwafer 100 bis auf eine Temperatur aufheizen, bei welcher sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren vollständig nach einer gewissen Zeit dissoziieren. Die Hilfswärmebehandlung kann bei Temperaturen, die 500°C überschreiten, beispielsweise bei 1000°C, vorgenommen werden. Die Mindestdauer der Wärmebehandlung ist eine Funktion der Temperatur der Wärmebehandlung und kann wenigstens 10 Sekunden für eine Temperatur von etwa 1000°C und wenigstens 500 Minuten, beispielsweise wenigstens 90 Minuten oder wenigstens 30 Minuten für eine Temperatur nahe bei 500°C betragen. Dann ist die gewünschte Konzentration durch eine Hauptwärmebehandlung bei einer Prozesstemperatur Tproc zwischen 350°C und 500°C eingestellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Prozesstemperatur Tproc in einer Spanne von 420 bis 480°C, um eine hohe OTD-Erzeugungsrate zu erzielen.
  • Wenn die Wärmebehandlung auf einer definierten Dissoziationsrate beruht, kann eine vorangehende Hilfswärmebehandlung den Halbleiterwafer 100 bis auf eine Temperatur unterhalb der Dissoziationstemperatur aufheizen, um eine stabile maximale Konzentration von OTDs zu erzeugen. Beispielsweise kann die Hilfswärmebehandlung bei 420°C vorgenommen werden und kann für wenigstens fünf, beispielsweise etwa zehn Stunden andauern. Dann wird die gewünschte OTD-Konzentration durch eine Hauptwärmebehandlung bei Prozesstemperaturen über der Dissoziationstemperatur, beispielsweise bei etwa 480°C für die bestimmte Prozesszeit tproc eingestellt. Anders als die Erzeugungsraten, die eine starke Abhängigkeit von der intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi zeigen, sind die Dissoziationsraten mehr unabhängig von der intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi, so dass die gewünschte OTD-Konzentration Doi genauer eingestellt werden kann.
  • Wenn ein Siliziumkristall, der intrinsischen Sauerstoff enthält, für Perioden von Stunden bei Temperaturen zwischen 420°C und 480°C erwärmt bzw. geheizt wird, kann eine Bildung von Donatoren beobachtet werden, wobei die Konzentration von Donatoren mit der Zeit anwächst und ein charakteristisches Maximum nach einigen Stunden erreicht. Die Zeit zum Erreichen der maximalen Donatorkonzentration nimmt mit abnehmender Sauerstoffkonzentration zu. Eine Wärmebehandlung über einer Dissoziationstemperatur, beispielsweise bei einer Temperatur höher als 500°C, reduziert die Anzahl von Donatoren. Das gegenwärtige Modell nimmt an, dass eine Wärmebehandlung über einer Temperatur von etwa 420°C bei einer Agglomeration von Sauerstoff in dem Siliziumkristall beginnt. Das Erwärmen erzeugt nacheinander Sauerstoffcluster von monomerem Sauerstoff zu dimerem Sauerstoff zu trimärem Sauerstoff und zu weiteren Sauerstoffclustern, die fünf oder acht und mehr Sauerstoffatome enthalten. Zwischen den verschiedenen Sauerstoffclustern existieren dynamische Gleichgewichte, die von der gegenwärtigen Temperatur abhängen. Einige der Sauerstoffcluster sind elektrisch aktive Donatoren.
  • In dem Verfahren von 1A vervollständigt eine Vorwärtsschubsteuerung eine ursprüngliche Hintergrunddonatorkonzentration zu einer gewünschten Zieldonatorkonzentration durch Füllen einer Lücke zwischen einer Zieldotierstoffkonzentration Dtarg und der extrinsischen Dotierstoffkonzentration Dext mit OTDs. Die Vorwärtsschubsteuerung erlaubt die Verwendung von Halbleiterwafern 100 mit einer vergleichsweise hohen Streuung hinsichtlich der ursprünglichen extrinsischen Dotierstoffkonzentration. Beispielsweise erlaubt das Verfahren die Verwendung von Cz:Si oder mCz:Si, die beide einen starken Gradienten der extrinsischen Dotierungskonzentration längs der axialen Stabposition aufweisen, für die Herstellung von Leistungshalbleitervorrichtungen für hohe Sperrspannungen, wobei die Leistungshalbleitervorrichtungen ohne Epitaxie hergestellt werden können. Da die extrinsische Dotierstoff- und die intrinsische Sauerstoffkonzentrationen sich nur wenig längs einer Longitudinalachse eines Silizium-Ingots verändern, können beide Werte lediglich für Halbleiterwafer 100 gemessen werden, die von entfernten Teilen des gleichen Silizium-Ingots gebildet sind, und die Werte für Halbleiterwafer von mittleren Teilen des Silizium-Ingots können aus den gemessenen Werten interpoliert werden.
  • In 1B zeigt ein Gradient 602 die Konzentration DOTD von sauerkorrelierten thermischen Donatoren gegenüber einer Heiztemperatur in Grad Kelvin für eine Prozesszeit tproc von 5 Stunden und bei einer intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi von 4E17 cm–3. Aus dem Gradienten 602 kann geschlossen werden, dass für eine gemessene extrinsische Dotierstoffkonzentration von 1E13 cm–3 eine Wärmebehandlung, die für 5 Stunden bei einer Temperatur von 650°K andauert, eine OTD-Konzentration DOTD von 1E13 cm–3 erzeugt, um eine Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot von 2E13 cm–3 zu erhalten. Der Gradient 602 von 1B und andere bekannte Gradienten für isochrones und/oder isothermes Ausheilen können die Grundlage bzw. Basis bilden, auf der ein Abschätzungsprozess in der Zentraleinheit 490 einen geeigneten Prozesstemperaturgradienten Tproc(t) bestimmt.
  • 2A bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, das auf einer direkten Messung der extrinsischen Dotierstoffkonzentration Dext und der intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi beruht.
  • Eine erste Wärmebehandlung bei einer Temperatur über der Dissoziationstemperatur der OTDs, beispielsweise über 500°C, löst mögliche OTDs in dem Halbleiterwafer 100 in einer ersten Wärmekammer 410 auf. Als ein Ergebnis wird eine folgende Messung der extrinsischen Dotierstoffkonzentration Dext bei einer ersten Überwachungs- bzw. Inspektionsstation 420 nicht durch irgendwelche OTDs beeinflusst. Die erste Überwachungsstation 420 kann die extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext und die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi messen. Dann kann eine Folge von Prozessen zum Bilden elektronischer Elemente in und auf dem Halbleiterwafer 100 in einer Produktionslinie 430 durchgeführt werden. Die erste oder eine andere, zweite Überwachungsstation 420 kann die gegenwärtige Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot1 messen, wobei die gegenwärtige Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot1 die extrinsischen Dotierstoffe sowie OTDs umfasst, die während der Prozesse gebildet sind, die in der Produktionslinie 430 vorgenommen werden.
  • Auf der Grundlage von Dext, Doi, Dtot1 und den passenden Erzeugungsraten für OTDs bestimmt die Steuereinheit 490 den Prozesstemperaturgradienten Tproc(t) zum Erzeugen einer ausreichenden Anzahl von OTDs, um eine Zieldotierstoffkonzentration Dtarg zu erhalten.
  • Die erste oder eine andere Wärmekammer 470 legt den Prozesstemperaturgradienten Tproc(t) an den Halbleiterwafer 100. An dem Ende der Wärmebehandlung in der Wärmekammer 470 enthält der Halbleiterwafer 100 eine finale Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot einschließlich extrinsischer Dotierstoffe und OTDs, die nicht mehr als 13%, beispielsweise nicht mehr als 8% oder nicht mehr als 5%, beispielsweise nicht mehr als 2% von der Zieldonatorkonzentration Dtarg abweicht.
  • Das in 2B veranschaulichte Verfahren ersetzt die Messung der gegenwärtigen Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot1 mit einer Hilfswärmebehandlung in der Wärmekammer 470, um irgendwelche OTDs zu dissoziieren, die möglicherweise während der Bildung von elektronischen Elementen in der Produktionslinie 430 gebildet wurden. Die Hilfswärmebehandlung legt eine Temperatur über der Dissoziationstemperatur von thermischen Donatoren, beispielsweise eine Temperatur über 500°C, an. Die Zeitdauer der Hilfswärmebehandlung ist eine Funktion der Temperatur. Eine Hilfswärmebehandlung bei etwa 500°C kann für wenigstens 300 oder 100 Minuten andauern, während eine Wärmebehandlung bei 1000°C weniger als eine Minute und mehr als etwa 10 Sekunden dauern kann.
  • Die Hilfswärmebehandlung kann eine gesonderte Wärmebehandlung sein, die exklusiv zum Dissoziieren der OTDs dient. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Wärmebehandlung für einen weiteren Zweck dienen. Beispielsweise kann eine Wärmebehandlung zum Ausheilen von Implantationsschäden oder zum Bilden von ohmschen metallischen Kontakten OTDs dissoziieren, die möglicherweise bis zu dieser Zeit gebildet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Wärmebehandlung zum Steuern eines Rückflusses eines Zwischenschichtdielektrikums, das auf einem Silikatglas, wie BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas) oder BPSG (Borphosphorsilikatglas) beruht, wirksam als die Hilfswärmebehandlung und dissoziiert die OTDs, die zu diesem Zeitpunkt vorhanden sind.
  • Während die vorangehenden Ausführungsbeispiele auf einem Wissen über die OTD-Erzeugungsraten beruhen, beruht das in 2C veranschaulichte Verfahren auf einem Wissen über die Dissoziationsraten.
  • Eine Hilfswärmebehandlung in der Wärmekammer 470 bei einer Temperatur unterhalb der Dissoziationstemperatur erzeugt eine stabile maximale Konzentration an OTDs. Beispielsweise kann die Hilfswärmebehandlung bei 420°C durchgeführt werden und dauert für wenigstens fünf, beispielsweise für etwa zehn Stunden. Eine folgende Hauptwärmebehandlung bei Prozesstemperaturen über der Dissoziationstemperatur, beispielsweise bei einer Prozesstemperatur von wenigstens 480°C für eine bestimmte Prozesszeit tproc stellt die gewünschte OTD-Konzentration Doi ein. Da die Dissoziationsraten von der intrinsischen Sauerstoffkonzentration Doi mehr unabhängig sind als die Erzeugungsraten, können die gewünschte OTD-Konzentration DOTD sowie die finale Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot genauer eingestellt werden.
  • Der Prozess in 2D weicht von dem Prozess von 2C dadurch ab, dass anstelle einer Hilfswärmebehandlung ein Rückfluss eines Zwischenschichtdielektrikums, das auf einem Silikatglas beruht, möglicherweise zuvor gebildete OTDs dissoziiert.
  • Das in 2E veranschaulichte Verfahren bezieht sich auf zwei aufeinanderfolgende Messungen der Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot1, Dtot2, wobei zwischen den zwei Messungen ein signifikantes thermisches Budget zwischen 420°C und 470°C auf den Halbleiterwafer 100 einwirkt. Die erste Messung der Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot1 kann bei einer ersten Überwachungsstation 421 an dem Beginn einer Produktionslinie vorgenommen werden, nachdem der Halbleiterwafer 100 einen ersten Teil 431 der Produktionslinie zum Bilden elektronischer Elemente auf dem Halbleiterwafer 100 durchlaufen bzw. passiert hatte oder beispielsweise nach einem Prozess, der eine Temperatur über der Dissoziationstemperatur anlegt. Die zweite Messung einer zweiten Dotierstoffgesamtkonzentration Dtot2 kann an der ersten oder einer zweiten Überwachungsstation 422 vorgenommen werden, nachdem der Halbleiterwafer 100 einen zweiten Teil 132 durchlaufen bzw. passiert hatte, der ein Endteil von Folgen von Prozessen zum Bilden elektronischer Elemente auf dem Halbleiterwafer 100 sein kann.
  • Die Zentraleinheit 490 empfängt beide Messergebnisse Dtot1, Dtot2 und empfängt auch Information über die Zeit, welche der Halbleiterwafer 100 Temperaturen in einer Spanne von 350°C bis 500°C oder beispielsweise zwischen 400°C und 480°C ausgesetzt war. Durch Analysieren einer Korrelation zwischen der OTD-Konzentration und dem angelegten thermischen Budget ΣTB in der thermischen Spanne von Interesse während des zweiten Teiles der Produktionslinie 432 hat die Steuereinheit 490 verfügbare Information gleichwertig zu der Information über eine extrinsische Dotierstoffkonzentration Dext und die intrinsische Sauerstoffkonzentration Doi, um einen Prozesstemperaturgradienten Tproc(t) zum Erzeugen einer gewünschten Anzahl von OTDs zu erzeugen.
  • Das Ausführungsbeispiel von 3A umfasst eine Protonenimplantation in einer Implantationskammer 440 und kann mit irgendeinem der Prozesse der 2A bis 2E kombiniert werden. Die Protonenimplantation kann zu irgendeiner Stufe vor dem Beginn eines Prozessierens in der Produktionslinie 430 bis zu dem Ende vorgenommen werden. Die Protonenimplantation kann ein zugeordneter Prozess zum Unterstützen der Bildung von OTDs sein oder kann einem weiteren Zweck dienen, beispielsweise der Bildung von dotierten Bereichen, wie einer Feldstoppzone, aufgrund von HDs (wasserstoffkorrelierten Donatoren). Die Protonenimplantation kann signifikant eine Prozesszeit und Kosten durch Erhöhen der OTD-Erzeugungsrate reduzieren.
  • Die implantierten Wasserstoffatome und die intrinsischen Sauerstoffatome können zusammenwirken, um wechselseitig ein Diffundieren in dem Siliziumkristall zu unterstützen, wobei die Sauerstoffatome lokal das Siliziumgitter schädigen, die erzeugten Kristallgitterdefekte die Diffusion von Wasserstoffatomen fördern und Wasserstoffatome Komplexe mit Siliziumatomen bilden, die ihrerseits die weitere Diffusion von Sauerstoffatomen fördern. In Schichten mit erhöhtem Wasserstoffgehalt kann der Wasserstoff radiale Veränderungen in der intrinsischen Sauerstoffverteilung glätten.
  • In 3B ist eine Wasserstoffkonzentration DH und eine Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot in einem Halbleiterwafer 100 gegenüber einem Abstand d zu der tragenden Oberfläche 102a aufgetragen. Ein erstes Wasserstoffprofil 611 in dem Halbleiterwafer 100 von 3A resultiert aus einer kurzen Wasserstoffdiffusion von elektrisch inaktivem Wasserstoff, der auf den Wasserstoff zurückgeht. Ein erstes Gesamtdotierstoffprofil 621 zeigt eine Spitze 621a, die aus wasserstoffkorrelierten Donatoren um eine Implantationstiefe der Wasserstoffimplantation innerhalb einer Feldstoppschicht 178 resultiert. Das erste Gesamtdotierstoffprofil 621 zeigt weiterhin ein hohes Plateau 621b in einem ersten Teil 171a einer Driftschicht 171 nächst zu der Feldstoppschicht 178, wo das Vorhandensein von Wasserstoff die Bildung von OTDs beschleunigt, und ein niedriges Plateau 621c in einem zweiten Teil 171b der Driftschicht 171, wo Wasserstoff fehlt bzw. abwesend ist. Ein zweites Wasserstoffprofil 612 resultiert aus einer langen Wasserstoffdiffusion des elektrisch inaktiven Wasserstoffs, der auf die Wasserstoffimplantation zurückgehen kann. Ein zweites Gesamtdotierstoffprofil 622 zeigt ein längeres hohes Plateau 622b, wo das Vorhandensein von Wasserstoff die Bildung von OTDs beschleunigt.
  • 4A veranschaulicht eine Leistungshalbleitervorrichtung 500. Ein einkristallines Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, bildet einen Halbleiterteil 100z mit einer planaren ersten Oberfläche 101 an einer Vorderseite sowie einer planaren zweiten Oberfläche 102 parallel zu der ersten Oberfläche 101 auf der Rückseite entgegengesetzt zu der Vorderseite.
  • Ein Mindestabstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 hängt von der Spannungssperrfähigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung 500 ab. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 in einer Spanne von 90 μm bis 200 μm sein, falls die Leistungshalbleitervorrichtung 500 für eine Sperrspannung von etwa 1200 V spezifiziert bzw. ausgelegt ist. Andere Ausführungsbeispiele, die auf Leistungshalbleitervorrichtungen mit höheren Sperrfähigkeiten bezogen sind, können Halbleiterteile 100z mit einer Dicke bis zu einigen 100 μm vorsehen.
  • In einer Ebene parallel zur ersten Oberfläche 101 kann der Halbleiterteil 100z eine rechteckförmige Gestalt mit einer Randlänge in der Spanne von einigen Millimetern oder eine kreisförmige Gestalt mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern haben. Richtungen parallel zu der ersten Oberfläche 101 sind horizontale Richtungen, und Richtungen senkrecht zu der ersten Oberfläche 101 sind vertikale Richtungen.
  • Der Halbleiterteil 100z umfasst einen dotierten Bereich 115 oder eine Vielzahl von ersten dotierten Bereichen 115, die elektrisch mit einem ersten Lastanschluss L1 verbunden sind. Eine hoch dotierte Kontaktschicht 129 ist längs der zweiten Oberfläche 102 gebildet und ist elektrisch mit einem zweiten Lastanschluss L2 verbunden.
  • Eine schwach dotierte Driftzone 121 bildet einen oder mehrere pn-Übergänge pn1 mit dem einen oder den mehreren ersten dotierten Bereichen 115. Eine effektive Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann wenigstens 1E12 cm–3 und höchstens 1E17 cm–3, typischerweise in der Spanne zwischen 1E13 cm–3 und 4E14 cm–3, sein. Das Dotieren in der Driftzone 121 kann einem anfänglichen Hintergrunddotieren in dem Halbleiterteil 100z entsprechen. Wenigstens 25%, beispielsweise wenigstens 50%, der Donatoren in der Driftzone 121 sind OTDs. Die weiteren Donatoren in der Driftzone 121 können wasserstoffkorrelierte Donatoren oder extrinsische bzw. Störstellen-Dotierstoffatome sein, wie beispielsweise Arsen- und/oder Phosphor-Atome.
  • Eine Feldstoppzone 128 kann die Kontaktschicht 129 und die Driftzone 121 trennen und bildet entweder einen unipolaren Homoübergang oder einen pn-Übergang mit der Kontaktschicht 129 und einen unipolaren Homoübergang mit der Driftzone 121. Die Feldstoppzone 128 kann HDs enthalten, die auf einer Implantation von leichten Ionen, beispielsweise Protonen, und/oder extrinsischen Dotierstoffatomen, wie Phosphor- und Arsen-Atomen beruhen.
  • 4B zeigt ein vertikales Dotierstoffprofil 630 längs einer Linie B-B von 4A.
  • Die Kontaktschicht 129 kann n-dotiert oder p-dotiert sein oder kann Zonen von beiden Leitfähigkeitstypen bzw. Leitungstypen enthalten. Die Dotierstoffkonzentration in der Kontaktschicht 129 längs der zweiten Oberfläche 102 ist ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit einer Lastelektrode zu bilden, die direkt an die zweite Oberfläche 102 angrenzt. Beispielsweise kann eine n-dotierte Kontaktschicht 129 eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in einer Spanne von 1E18 cm–3 bis 1E20 cm–3, beispielsweise von 5E18 cm–3 bis 5E19 cm–3, haben. Die vorherrschenden Dotierstoffe in der Kontaktschicht 129 können extrinsische Dotierstoffatome, wie Bor-(B-)Atome, Arsen-(As-)Atome oder Phosphor-(P-)Atome sein.
  • In der Feldstoppzone 128 ist die mittlere Nettodotierstoffkonzentration höchstens 10% der maximalen Dotierstoffkonzentration in der Kontaktschicht 129. Beispielsweise kann die mittlere Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppzone 128 in einer Spanne von 1E15 cm–3 bis 1E18 cm–3, beispielsweise von 1E16 cm–3 bis 5E17 cm–3, als Beispiel sein. Die vertikale Ausdehnung bzw. Erstreckung der Feldstoppzone 128 kann in einer Spanne von 1 μm bis 20 μm, beispielsweise von 2 μm bis 10 μm, sein. Die vorherrschenden Dotierstoffe in der Feldstoppzone 128 können extrinsische bzw. Störstellen-Dotierstoffe oder HDs sein.
  • In der Driftzone 121 ist die mittlere Nettodotierstoffkonzentration in einer Spanne von 1E12 cm–3 bis 1E17 cm–3, beispielsweise in einer Spanne von 3E12 bis 5E15 oder von 1E14 cm–3 bis 5E15 cm–3. In der Driftzone 121 ist das Verhältnis der OTDs zu den Dotierstoffen insgesamt wenigstens 25%, beispielsweise wenigstens 50%. Die weiteren Dotierstoffe in der Driftzone 121 können extrinsische bzw. Störstellen-Dotierstoffe oder HDs sein. Das vertikale Dotierstoffprofil 630 kann Stufen längs der Übergänge zwischen der Kontaktschicht 129 und der Feldstoppzone 128 sowie zwischen der Feldstoppzone 128 und der Driftzone 121 zeigen.
  • 4C zeigt eine Wasserstoffkonzentration DH und eine Gesamtdotierstoffkonzentration Dtot in einer Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Feldstoppzone 128, die auf eine Wasserstoffimplantation gegen eine Entfernung d zu der zweiten Oberfläche 102 zurückgeht und ein vertikales Gesamtdotierstoffprofil 631 aufweist, das auf eine wasserstoffgestützte Diffusion von OTDs zurückgeht. Wenn beispielsweise die Halbleitervorrichtung 500 eine Halbleiterschaltvorrichtung ist, wie ein PT-IGBT (Punch-Through- bzw. Durchgriff-IGBT), und ausschaltet, dehnt sich eine Verarmungszone, über der die Sperrspannung abfällt, graduell aus, wobei die Ausdehnung von einem pn-Übergang pn1 auf der rechtshändigen Seite des Diagramms beginnt.
  • Die Feldstoppzone 128 vermeidet, dass die Verarmungszone und das elektrische Feld in der sich graduell ausdehnenden Verarmungszone eine Elektrode bei d = 0 an der rückwärtigen Seite oder einen Rückseitenemitter erreichen. Wenn sich das elektrische Feld in der Richtung der rückwärtigen Seite ausdehnt, kann die Leistungshalbleitervorrichtung 500 kontinuierlich Ladungsträger von der Kontaktschicht 129 zum Unterstützen eines externen Stromflusses liefern.
  • Wenn extrinsische bzw. Störstellen-Dotierstoffatome, wie Arsen- oder Phosphor-Atome als Dotierstoffe in der Feldstoppzone 128 verwendet werden, resultieren die Diffusionseigenschaften der extrinsischen Dotierstoffatome in glatten, Gauss-ähnlichen Dotierstoffprofilen. Da die Anzahl von beweglichen Ladungsträgern hoch ist, wo die Anzahl von stationären Ladungsträgern, wie Dotierstoffatomen in der Feldstoppzone 128 niedrig ist, aufgrund einer höheren Emitterwirksamkeit und umgekehrt, nimmt mit sich ausdehnender Verarmungszone die Anzahl von freien Ladungsträgern, die zum Unterhalten eines externen Stromes verfügbar sind, stetig zu, und die Reaktionsschnelle bzw. Sprunghaftigkeit von solchen PT-IGBTs ist niedrig. Jedoch erfordert eine Ausdiffusion von Dotierstoffatomen, die von einer rückwärtigen Seite implantiert sind, ein thermisches Budget, das Strukturen und Dotierstoffgradienten in zuvor gebildeten dotierten Zonen auf der Vorderseite des PT-IGBT zerstören kann.
  • Alternativ können die Feldstoppzonen 128 durch Erzeugen von HDs nach Abschluss eines Prozessierens an der Vorderseite gebildet werden. Herkömmliche leichte Ionenimplantationen von der rückwärtigen Seite zeigen jedoch steile HD-Profilübergänge auf der Seite der Driftzone 121, wobei solche steilen Übergänge dazu neigen, das Schaltverhalten zu verschlechtern.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4C wird Wasserstoff in die Feldstoppzone 128 und einen angrenzenden ersten Teil 121a der Driftzone 121 diffundiert. Der Wasserstoff fördert die Bildung von OTDs.
  • 4C zeigt, dass die wasserstoffunterstützte Bildung von OTDs in einem graduelleren Übergang der OTD-Konzentration resultieren kann, so dass die Halbleitervorrichtung 500 graduell das elektrische Feld zu einem frühen Zeitpunkt auflösen kann, nachdem der Schaltprozess ausgelöst wurde. Da sich die Verarmungszone graduell in einer glatten, weniger abrupten Weise ausdehnt, kann die wasserstoffunterstützte Bildung von OTDs die Reaktionsschnelle bzw. Schmissigkeit der Halbleitervorrichtung 500 bei einer gegebenen Gesamtdicke der Halbleitervorrichtung 500 verbessern. Die Ladungsträger außerhalb der sich ausdehnenden Verarmungszone sind kontinuierlich verfügbar, um einen durch externe Schaltungselemente induzierten Strom zu liefern bzw. zu speisen.
  • Eine wasserstoffunterstützte Bildung von OTDs erlaubt ein Kombinieren der Bildung der Feldstoppzonen 128 von der rückwärtigen Seite zu einer späten Prozessstufe mit einem graduellen Übergang von effektiven Dotierstoffkonzentrationen zwischen der Kontaktschicht 129 und der Driftzone 121.
  • 5A zeigt eine Leistungshalbleiterdiode 501 mit einem Nennvorwärts- bzw. -durchlassstrom größer als 1000 mA, beispielsweise größer als 10 A oder größer als 100 A, auf der Grundlage der Halbleitervorrichtung 500 von 4A. Der erste dotierte Bereich 115 bildet einen ohmschen Kontakt mit einer ersten Lastelektrode 310 an der Vorderseite. Die erste Lastelektrode 310 bildet einen Anodenanschluss A oder ist elektrisch mit einem solchen verbunden. Die stark dotierte Kontaktschicht 129 bildet einen ohmschen Kontakt mit einer zweiten Lastelektrode 320 auf der Rückseite. Die zweite Lastelektrode 320 bildet einen Kathodenanschluss K oder ist elektrisch mit einem solchen verbunden.
  • 5B bezieht sich auf einen IGFET 502. Hinsichtlich Einzelheiten des Halbleiterteiles 100z, der Driftzone 121, der Feldstoppzone 128, der Kontaktschicht 129, die als Drain wirksam ist, und des vertikalen Dotierstoffprofiles wird Bezug genommen auf die Beschreibung der 4A bis 4C und 5A. Der IGFET 502 umfasst Transistorzellen TC, die IGFET-Zellen mit n-dotierten Sourcezonen und mit den ersten dotierten Bereichen 115, die Bodyzonen der Transistorzellen TC bilden, sein können. Die Bodyzonen trennen jeweils die Sourcezonen von der Driftzone 121. Die Sourcezonen können elektrisch mit einer ersten Lastelektrode an der Vorderseite verbunden oder gekoppelt sein. Die erste Lastelektrode kann einen Sourceanschluss S bilden oder elektrisch mit einem solchen verbunden sein.
  • Gateelektroden der Transistorzellen TC können elektrisch mit einem Gateanschluss G verbunden oder gekoppelt sein und können kapazitiv mit den Bodyzonen durch Gatedielektrika gekoppelt sein. Abhängig von einer an den Gateanschluss G angelegten Spannung werden Inversionskanäle in den Bodyzonen gebildet und liefern einen Elektronenfluss durch die Transistorzellen TC, so dass in einem Ein-Zustand des IGFET 502 Elektronen in die Driftzone 121 durch die Transistorzellen TC eintreten.
  • Die Transistorzellen TC können planare Zellen mit lateralen Gatestrukturen, die außerhalb des Umrisses bzw. der Kontur des Halbleiterteiles 100z angeordnet sind, oder Trenchzellen mit Trenchgatestrukturen, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100z erstrecken, sein. Beispielsweise können die Source- und Bodyzonen der Transistorzellen TC in Halbleitermesas gebildet sein, die durch die Trenchgatestrukturen getrennt sind.
  • 5C bezieht sich auf einen IGBT 503, beispielsweise einen PT-IGBT mit einer p-Typ-Kontaktschicht 129 und der zweiten Lastelektrode 320, die elektrisch mit einem Kollektoranschluss C verbunden ist. Die Source- und Bodyzonen sind elektrisch mit einem Emitteranschluss E verbunden oder gekoppelt. Für weitere Einzelheiten wird Bezug genommen auf die Beschreibung der Leistungshalbleiterdiode 501 von 5A und des IGFET 502 von 5B.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausführungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (22)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen von Information, die eine extrinsische Dotierstoffkonzentration (Dext) und eine intrinsische Sauerstoffkonzentration (Doi) in einem Halbleiterwafer (100) angibt, und auf der Grundlage der Information über die extrinsische Dotierstoffkonzentration (Dext) und die intrinsische Sauerstoffkonzentration (Doi) sowie einer Erzeugungsrate oder einer Dissoziationsrate von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in dem Halbleiterwafer (100), Bestimmen eines Prozesstemperaturgradienten (Tproc(t)) zum Erzeugen oder Dissoziieren von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren, um eine Differenz zwischen einer Zieldotierstoffkonzentration (Dtarg) und der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext) zu kompensieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Bestimmen der intrinsischen Sauerstoffkonzentration (Doi) ein Messen des intrinsischen Sauerstoffgehalts nach einer Wärmebehandlung, die sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren dissoziiert, und vor Erwärmen des Halbleiterwafers (100) auf eine Temperatur jenseits 350°C umfasst.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem ein Bestimmen der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext) ein Dissoziieren von sauerstoffkorrelierten Donatoren durch Erwärmen des Halbleiterwafers (100) bis zu einer Temperatur höher als 480°C und ein Messen der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext) nach Dissoziieren der sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren und vor Erwärmen des Halbleiterwafers (100) auf eine Temperatur jenseits 350°C umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Bestimmen der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext) und der intrinsischen Sauerstoffkonzentration (Doi) ein Messen einer ersten Gesamtdotierstoffkonzentration (Dtot1), dann ein Erwärmen des Halbleiterwafers (100) auf eine Temperatur höher als 350°C, ein Messen einer zweiten Gesamtdotierstoffkonzentration (Dtot2) nach dem Erwärmen und ein Bestimmen der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext) und der intrinsischen Sauerstoffkonzentration (Doi) auf der Grundlage einer Differenz zwischen den ersten und zweiten Gesamtdotierstoffkonzentrationen (Dtot1, Dtot2) und Parameter des Erwärmens umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend: Messen einer ersten Gesamtdotierstoffkonzentration (Dtot1) und Bestimmen des Prozesstemperaturgradienten (Tproc(t)) auf der Grundlage einer Differenz zwischen der ersten Gesamtdotierstoffkonzentration (Dtot1) und der extrinsischen Dotierstoffkonzentration (Dext).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Prozesstemperaturgradient (Tproc(t)) auf der Grundlage der Erzeugungsrate von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in dem Halbleiterwafer (100) bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: Dissoziieren von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in einem Hilfsheizprozess vor Unterwerfen des Halbleiterwafers (100) einer den Prozesstemperaturgradienten (Tproc(t)) anlegenden Hauptwärmebehandlung.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Prozesstemperaturgradient (Tproc(t)) auf der Grundlage einer Dissoziationsrate von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in dem Halbleiterwafer (100) bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: Erzeugen einer maximalen Konzentration von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren in einem Hilfswärmeprozess vor Unterwerfen des Halbleiterwafers (100) einer den Prozesstemperaturgradienten (Tproc(t)) anlegenden Hauptwärmebehandlung.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Prozesstemperaturgradient (Tproc(t)) ein isothermer Prozess ist, der durch eine konstante Prozesstemperatur und eine Prozesszeit, für welche die Prozesstemperatur anliegt, gegeben ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin umfassend: Unterwerfen des Halbleiterwafers (100) einer Hauptwärmebehandlung, die den Prozesstemperaturgradienten (Tproc(t)) anlegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: Bilden eines Zwischenschichtdielektrikums an einer Vorderseite des Halbleiterwafers (100) vor Unterwerfen des Halbleiterwafers (100) einer Hauptwärmebehandlung.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, weiterhin umfassend: Bilden einer Vielzahl von getrennten Halbleiterdies aus dem Halbleiterwafer (100) nach Unterwerfen des Halbleiterwafers (100) der Hauptwärmebehandlung.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem nach der Hauptwärmebehandlung wenigstens 25% der Donatoren in dem Halbleiterwafer (100) sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren sind.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, weiterhin umfassend: Bilden von Transistorzellen (TC) in dem Halbleiterwafer (100).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die intrinsische Sauerstoffkonzentration (Doi) in einer Spanne von 2E17 cm–3 bis 6E17 cm–3 ist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, weiterhin umfassend: vor Erzeugen der sauerstoffkorrelierten Donatoren Implantieren von Protonen, um eine Feldstoppschicht (178) in dem Halbleiterwafer (100) zu bilden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem eine Hauptwärmebehandlung, die den Prozesstemperaturgradienten (Tproc(t)) anlegt, zusätzlich die implantierten Protonen der Feldstoppschicht (178) aktiviert.
  19. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Halbleiterteil (100z), der eine Driftzone (121) mit einer Gesamtdotierstoffkonzentration in der Spanne von 1E12 cm–3 bis 1E17 cm–3 aufweist, wobei ein Verhältnis von sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren zu einer Gesamtsumme von extrinsischen Donatoren und den sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren wenigstens 25% ist.
  20. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 19, bei der das Verhältnis der intrinsischen sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren zu einer Gesamtsumme von extrinsischen Donatoren und den sauerstoffkorrelierten thermischen Donatoren wenigstens 50% ist.
  21. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, weiterhin umfassend: eine Feldstoppzone (128), die einen unipolaren Homoübergang mit der Driftzone (121) bildet, wobei die Feldstoppzone (128) vorherrschend wasserstoffkorrelierte Donatoren enthält.
  22. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Driftzone (121) einen direkt an die Feldstoppzone (128) angrenzenden ersten Teil (121a) und einen von der Feldstoppzone (128) durch den ersten Teil (121a) getrennten zweiten Teil (121b) umfasst, wobei der erste Teil (121a) mehr wasserstoff- und mehr sauerstoffkorrelierte thermische Donatoren als der zweite Teil (122a) enthält.
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