DE102015109784B4 - Verfahren zum Reduzieren der Fremdstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper, Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Reduzieren der Fremdstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper, Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und Halbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in einem einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper (105), wobei das Verfahren umfasst:Bestrahlen des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) mit Partikeln (107) durch eine erste Seite (109) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105), wobei die Partikel wenigstens einen Stoff aus Protonen und Heliumionen umfassen, undEntfernen wenigstens eines Teiles von Fremdstoffen (112) von einem bestrahlten Teil des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) durch Ausdiffusion von dem Silizium-Halbleiterkörper (105) durch die erste Seite (109) während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C.

Description

  • HINTERGRUND
  • In Halbleitervorrichtungen, wie Halbleiterdioden, Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs) dient eine niedrige Dotierungskonzentration eines Basis- bzw. Grundmaterials, wie eines Wafers vor einem Front-End-of-Line-(FEOL-)Prozessieren zum Realisieren einer Gleichspannungssperranforderung der Halbleitervorrichtung. Abgesehen von Dotierstoffen, die eine anfängliche Dotierungskonzentration in dem Basismaterial bestimmen, können zusätzliche Fremdstoffe vorhanden sein, die beispielsweise durch einen Wachstumsprozess des Basismaterials, wie magnetisches Czochralski-Wachstum von Silizium-Ingots, verursacht sind. Ein Front-End-of-Line-(FEOL-)Prozessieren kann zu einer Bildung von unerwünschten Komplexen einschließlich der zusätzlichen Fremdstoffe führen. Ein Beispiel von solchen unerwünschten Komplexen sind elektrisch aktive Komplexe, beispielsweise Stickstoff-Sauerstoff-Komplexe oder CiOi-Komplexe, die eine Dotierungskonzentration oder eine Rekombinations/Erzeugungscharakteristik des Halbleiterkörpers oder der Halbleitervorrichtung(en) in dem Halbleiterkörper verändern. Auch wird beispielhaft verwiesen auf den Offenbarungsgehalt in den Druckschriften US 6 838 395 B1 ; DE 10 2013 111 135 A1 ; DE 33 45 075 A1 ; GANAGONA, N. [et al.]: „Defects in p-type Cz-silicon irradiated at elevated temperatures“, in: Phys. Status Solidi C9, No. 10-11, 2012, S. 2009-2012; TAKAHASHI, J. [et al. J: „Microvoid Defects in Nitrogen- and/or Carbon-doped Czochralski-grown Silicon Crystals“, in Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42, No. 2A, 2003, S. 363-370; YU, X. [et al.] : „Impurity engineering of Czochralski silicon“, in: Materials Science & engineering R, Vol. 74, 2013, No. 1-2, S. 1-33, ISSN 0927-796X, EP 0 942 078 A1 , US 2009 / 0 305 486 A1 , DE 10 2006 002 903 A1 .
  • Es ist wünschenswert, ein Verfahren zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper, ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und eine Halbleitervorrichtung vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper und eine Halbleitervorrichtung anzugeben, die jeweils den obigen Forderungen genügen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 8 und durch eine Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 14 bzw. 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß einem Beispiel umfasst ein Verfahren zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper ein Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Partikeln bzw. Teilchen durch eine erste Seite des Halbleiterkörpers. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Entfernen von wenigstens einem Teil von Fremdstoffen von einem bestrahlten Teil des Halbleiterkörper durch Ausdiffusion während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C.
  • Gemäß einem anderen Beispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterkörpers ein Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Partikeln bzw. Teilchen durch eine erste Seite des Halbleiterkörpers. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Entfernen wenigstens eines Teiles von Fremdstoffen von einem bestrahlten Teil des Halbleiterkörpers durch Ausdiffusion während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Bilden einer ersten Lastanschlussstruktur an der ersten Seite des Halbleiterkörpers.
  • Gemäß einem anderen Beispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Siliziumkörper, der entgegengesetzte erste und zweite Seiten hat. Ein erster Teil des Siliziumkörpers grenzt an die erste Seite an, und ein zweiter Teil des Siliziumkörpers ist zwischen dem ersten Teil und der zweiten Seite angeordnet. Eine mittlere Konzentration von einem Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem ersten Teil ist kleiner als 60% einer mittleren Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil.
  • 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 der Erfindung 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 eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Halbleiterkörpers zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit Partikeln bzw. Teilchen durch eine erste Seite des Halbleiterkörpers, das Teil eines Verfahrens zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper ist.
    • 1B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers von 1A zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Entfernen wenigstens eines Teiles von Fremdstoffen von einem bestrahlten Teil des Halbleiterkörpers durch Ausdiffusion während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C.
    • 1C ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers von 1B zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Bilden einer ersten Lastanschlussstruktur an der ersten Seite des Halbleiterkörpers, das Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung ist.
    • 2A ist eine schematische Schnittdarstellung von Ausführungsbeispielen einer Halbleitervorrichtung 140, die einen Siliziumkörper 106 und eine Fremdstoffkonzentration längs einer vertikalen Richtung y zwischen entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten 109, 110 des Siliziumkörpers 106 hat.
    • 2B ist eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer Fremdstoffkonzentration längs einer vertikalen Richtung y zwischen den entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten 109, 110 des Siliziumkörpers 106.
    • 3A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines Halbleiterkörpers zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Bilden einer zweiten Lastanschlussstruktur an der zweiten Seite des Halbleiterkörpers.
    • 3B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers von 3A zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Bilden von Kontakten an den ersten und zweiten Seiten des Halbleiterkörpers.
    • 4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiterkörpers, der eine Leistungshalbleiterdiode umfasst, die eine Fremdstoffkonzentration aufweist, wie dies in 2A, 2B dargestellt ist.
    • 5 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Halbleiterkörpers eines Leistungsbipolartransistors mit isoliertem Gate, der eine Fremdstoffkonzentration umfasst, wie diese in 2A, 2B dargestellt ist.
  • 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 ausgebildet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel dargestellt oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. 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 lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, 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 das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff „elektrisch verbunden“ beschreibt eine 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 hochdotierten Halbleiter. Der Begriff "elektrisch gekoppelt! umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung geeignet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorsehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „-“ oder „+“ nächst zu dem Dotierungstyp „n“ oder „p“. beispielsweise bedeutet „n-“ eine Dotierungskonzentration, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsbereiches, 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.
  • Die 1A und 1B sind schematische Schnittdarstellungen eines Teiles eines Halbleiterkörpers 105 zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper.
  • 1A ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers 105 zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Bestrahlen des Halbleiterkörpers 105 mit Partikeln bzw. Teilchen 107 durch eine erste Seite 109 entgegengesetzt zu einer zweiten Seite 110.
  • 1B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers 105 von 1A zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Entfernen wenigstens eines Teiles der Fremdstoffe 112 von einem bestrahlten Teil 114 des Halbleiterkörpers 105 durch Ausdiffusion während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 105 ein Silizium-Halbleiterkörper, der durch einen Czochralski-Wachstumsprozess erhalten ist, beispielsweise ein magnetischer Czochralski-(MCZ-)Siliziumhalbleiterkörper. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der Halbleiterkörper ein anderer Siliziumhalbleiterkörper oder ein anderer einkristalliner Halbleiterkörper sein, der Fremdstoffe umfasst.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Fremdstoffe 112 Stickstoff. Im Fall von Stickstofffremdstoffen und gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die thermische Behandlung in dem Temperaturbereich zwischen 500°C bis 1200°C oder in dem Temperaturbereich zwischen 600°C bis 1000°C oder sogar in dem Temperaturbereich zwischen 650°C bis 850°C ausgeführt. Eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers 105 mit den Partikeln bzw. Teilchen 107 erlaubt eine Zersetzung von dimerischem interstitiellem N2 in rasch diffundierendes einzelnes interstitielles N. Die thermische Behandlung erlaubt eine Ausdiffusion des rasch diffundierenden einzelnen interstitiellen N von dem Halbleiterkörper 105 durch die erste Seite 109. Ein Grad der Zersetzung des Stickstoffes in dem Halbleiterkörper 105, das heißt ein Verhältnis von einzelnem interstitiellem N nach einer Bestrahlung zu dimerischem interstitiellem N2 vor einer Bestrahlung in dem bestrahlten Teil 114 kann eingestellt werden durch eine oder mehrere Größen aus einer Spezies von Partikeln bzw. Teilchen, einer Bestrahlungsdosis, einer Bestrahlungsenergie, einer Anzahl von Teilchen- bzw. Partikelbestrahlungen, als Beispiel.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die Fremdstoffe 112 Kohlenstoff. Im Fall von Kohlenstofffremdstoffen und gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die thermische Behandlung ausgeführt in dem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1000°C oder in dem Temperaturbereich zwischen 550°C bis 900°C oder sogar in dem Temperaturbereich zwischen 600°C bis 800°C. eine Bestrahlung es Halbleiterkörpers 105 mit den Partikeln 107 erlaubt eine Transformation von substitutionalem bzw. stellvertretendem Kohlenstoff in rascher diffundierenden interstitiellen Kohlenstoff beispielsweise durch den sogenannten Kick-out- bzw. Ausschlagmechanismus. Die thermische Behandlung erlaubt eine Ausdiffusion des rasch diffundierenden interstitiellen Kohlenstoffes von dem Halbleiterkörper 105 durch die erste Seite 109. Ein Grad einer Transformation des Kohlenstoffes in dem Halbleiterkörper 105, d.h. ein Verhältnis von interstitiellem C nach einer Bestrahlung zu substitutionalem C vor einer Bestrahlung in dem bestrahlten Teil 114 kann eingestellt werden durch eine oder mehrere Maßnahmen aus einer Spezies von Teilchen bzw. Partikeln, einer Bestrahlungsdosis, einer Bestrahlungsenergie, einer Anzahl von Teilchen- bzw. Partikelbestrahlungen als Beispiel.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Partikel bzw. Teilchen wenigstens eines aus Protonen und Heliumionen. Eine Bestrahlung mit Protonen und/oder Heliumionen kann einmal oder mehrere Male ausgeführt werden. Im Fall einer Protonenbestrahlung und gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Protonenbestrahlung bei Energien ausgeführt, die von einem bis zu einigen hundert von keV bis 5 MeV oder von 200 keV bis 4 MeV oder von 300 keV bis 1,5 MeV reichen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Vielzahl von Protonenbestrahlungen, beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf Protonenbestrahlungen, bei verschiedenen Energien, z.B. von unterhalb 500 keV bis mehr als 1 MeV, durchgeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Protonenbestrahlung bei einer Dosis ausgeführt, die von 0,5 × 1013 Protonen/cm2 bis 5 × 1014 Protonen/cm2 oder von 1 × 1013 Protonen/cm2 bis 1 × 1014 Protonen/cm2 reicht. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Vielzahl von Protonenbestrahlungen, beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf Protonenbestrahlungen, bei verschiedenen Dosen ausgeführt. Eine Summe von allen Bestrahlungsdosen der Vielzahl von Protonenbestrahlungen kann von einigen 1013 Protonen/cm2 bis einigen zehn 1014 Protonen/cm2, beispielsweise von 2 × 1013 Protonen/cm2 bis 8 × 1014 Protonen/cm2 reichen. Auch kann eine Kombination von verschiedenen Bestrahlungsdosen und -energien verwendet werden.
  • Im Fall einer Bestrahlung mit Heliumionen und gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Bestrahlung bei Energien ausgeführt, die von 1 MeV bis 20 MeV oder von 2 MeV bis 10 MeV reichen. Gemäß weiterem Ausführungsbeispiel werden eine Vielzahl von Bestrahlungen mit Heliumionen, beispielsweise zwei, drei, vier oder vier Bestrahlungen mit Heliumionen bei verschiedenen Energien ausgeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Bestrahlung mit Heliumionen bei einer Dosis ausgeführt, die von 5 × 1011 Heliumionen/cm2 bis 5× 1013 Heliumionen/cm2 oder von 1 × 1012 Heliumionen/cm2 bis 1 × 1013 Heliumionen/cm2 reicht. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden eine Vielzahl von Bestrahlungen mit Heliumionen, beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf Bestrahlungen mit Heliumionen bei verschiedenen Dosen ausgeführt. Auch kann eine Kombination von verschiedenen Bestrahlungsdosen und -energien verwendet werden.
  • Eine Bestrahlung mit irgendwelchen anderen Teilchen bzw. Partikeln, die zum Transformieren von stellvertretendem bzw. Ersatzkohlenstoff in rascher diffundierenden interstitiellen Kohlenstoff und/oder zum Zersetzen von dimerem interstitiellem N2 in rasch diffundierenden einzelnen interstitiellen N geeignet sind, kann verwendet werden, beispielsweise Deuterium.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die thermische Behandlung für eine Zeitdauer zwischen 10 Sekunden bis 20 Stunden oder zwischen 10 Minuten bis 10 Stunden oder sogar zwischen 1 Stunde bis 5 Stunden durchgeführt. Die thermische Behandlung kann in einem thermischen Prozesssystem 116, beispielsweise in einem Ofen und/oder einem raschen thermischen Prozess-(RTP-)System vorgenommen werden. Der Halbleiterkörper 105 kann beispielsweise durch eine Haltebefestigung in dem thermischen Prozesssystem 116 gelagert sein.
  • Eine Tiefe des bestrahlten Teiles 114, d.h. eine vertikale Ausdehnung des bestrahlten Teiles 114 in den Halbleiterkörper 105 von der ersten Seite 109 kann hinsichtlich elektrischer Parameteranforderungen einer Halbleitervorrichtung in dem Halbleiterkörper 105 eingestellt werden. Beispielsweise kann die Tiefe hinsichtlich einer spezifischen Sperrspannung der Halbleitervorrichtung eingestellt werden. Die Tiefe kann um, gleich wie oder größer als eine vertikale Ausdehnung eines Raumladungsbereiches in dem Halbleiterkörper 105 bei einer angelegen spezifischen Sperrspannung gewählt werden. Die Tiefe kann um, gleich wie oder größer als eine vertikale Ausdehnung einer Driftzone in den Halbleiterkörper 105 oder der Vorrichtung nach einem Waferdünnen auf eine endgültige Vorrichtungsdicke gewählt werden. Die Tiefe kann gewählt werden, um beispielsweise innerhalb einer Feldstoppzone oder eines Drain- oder eines Emitterbereiches der Halbleitervorrichtung zu enden.
  • Das oben anhand der 1A, 1B beschriebene Verfahren erlaubt eine Reduktion einer Fremdstoffkonzentration in dem Halbleiterkörper 105. Somit kann eine unerwünschte Komplexbildung einschließlich der Fremdstoffe und verursacht durch FEOL-Prozessieren vermieden oder reduziert werden. Das oben anhand von 1A, 1B beschriebene Verfahren erlaubt so ein Herstellen einer zuverlässigeren Dotierungskonzentration bzw. zuverlässigeren Dotierungskonzentrationen und/oder einer Rekombination/Erzeugungskennlinie bzw. von Rekombination/Erzeugungskennlinien von einer oder mehreren Halbleitervorrichtungen in dem Halbleiterkörper 105.
  • 1C ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers von 1B zum Veranschaulichen eines Prozesses des Bildens einer ersten Lastanschlussstruktur 120 an der ersten Seite 109 des Halbleiterkörpers 105 als Teil eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung.
  • Der Prozess eines Bildens der ersten Lastanschlussstruktur 120 kann Dotierungsprozesse eines Dotierens des Halbleiterkörpers 105 an der ersten Seite 110 umfassen, beispielsweise Diffusions- und/oder Ionenimplantationsprozesse zum Bilden eines oder mehrerer dotierter Halbleiterbereiche in dem Halbleiterkörper 105 an der ersten Seite 109. Der bzw. die dotierten Halbleiterbereiche in dem Halbleiterkörper 105 der ersten Lastanschlussstruktur 120 können dotierte Source- und Bodybereiche eines vertikalen Leistungs-FET oder einen Emitter eines IGBT oder einen Anoden- oder Kathodenbereich einer vertikalen Leistungshalbleiterdiode umfassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Tiefe der ersten Lastanschlussstruktur 120, d.h. eine vertikale Ausdehnung der ersten Lastanschlussstruktur 120, kleiner als die Tiefe oder eine vertikale Ausdehnung des in 1A veranschaulichten bestrahlten Teiles 114.
  • In dem Verlauf eines Prozessierens des Halbleiterkörpers 105 an der ersten Seite 109 kann abhängig von der in dem Halbleiterkörper 105 zu bildenden Halbleitervorrichtung eine Steueranschlussstruktur, wie eine planare Gatestruktur und/oder eine Graben- bzw. Trenchgatestruktur einschließlich eines Gatedielektrikums bzw. Gatedielektrika und einer Gateelektrode bzw. Gateelektroden gebildet werden.
  • 2A ist eine schematische Schnittdarstellung von Ausführungsbeispielen einer Halbleitervorrichtung 140, die einen Siliziumkörper 106 und eine Fremdstoffkonzentration längs einer vertikalen Richtung y zwischen den entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten 109, 110 des Siliziumkörpers 106 aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Halbleitervorrichtung 140 eine Fremdstoffkonzentration c1 von einem Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff längs der vertikalen Richtung y. Die Halbleitervorrichtung 140 umfasst einen ersten Teil 1501 des Siliziumkörpers 106 angrenzend an die erste Seite 109 und einen zweiten Teil 1502 des Siliziumkörpers 106 zwischen dem ersten Teil 1501 und der zweiten Seite 110. Eine durchschnittliche bzw. mittlere Konzentration von einem Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem ersten Teil 1501 ist kleiner als 60% oder kleiner als 30% oder kleiner als 10% oder sogar kleiner als 5% der durchschnittlichen bzw. mittleren Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil 1502. Die mittlere Konzentration in dem ersten (zweiten) Teil 1501 (1502) definiert eine Fremdstoffkonzentration, gemittelt längs einer vertikalen Ausdehnung des ersten (zweiten) Teiles 1501 (1502). Gemäß einem Ausführungsbeispiel weicht die Fremdstoffkonzentration c1 des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil 1502 um weniger als 10% oder sogar weniger als 1% längs der vertikalen Richtung y ab. Somit ist die Fremdstoffkonzentration c1 des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil 1502 konstant oder nahezu konstant.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Halbleitervorrichtung 140 zusätzlich zu ersten und zweiten Teilen 1511, 1512, die zueinander in ähnlicher Weise korreliert sind wie die ersten und zweiten Teile 1501, 1502 einen dritten Teil 1513 des Siliziumkörpers 106 zwischen der zweiten Seite 110 und dem zweiten Teil 1512. Die reduzierte Konzentration in dem dritten Teil 1513 kann erzielt werden durch eine Protonenbestrahlung von einer Rückseite mit einem anschließenden Ausheilschritt, d.h. beispielsweise einem anschließenden Wärmebehandlungsprozess. Die mittlere bzw. durchschnittliche Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem dritten Teil 1513 ist kleiner als 60% oder kleiner als 30% oder kleiner als 10% oder sogar kleiner als 5% der mittleren Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil 1512.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel, das in 2B veranschaulicht ist, umfasst eine Fremdstoffkonzentration c3 des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff längs der vertikalen Richtung y einen Übergangsbereich 1525 zwischen den ersten und zweiten Teilen 1521, 1522. Die ersten und zweiten Teile 1521, 1522 sind zueinander in einer ähnlichen Weise wie die ersten und zweiten Teile 1501, 1502, 1511, 1512, dargestellt in 2A, korreliert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Verhältnis eines mittleren bzw. durchschnittlichen Gradienten α2 der Fremdstoffkonzentration c3 in dem Übergangsbereich 1525 und ein mittlerer bzw. durchschnittlicher Gradient α1 der Fremdstoffkonzentration c3 in dem ersten Teil 1521 größer als 3 oder größer als 10 oder größer als 100 oder sogar größer als 1000.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel liegt eine Dicke t2 des Übergangsbereiches 1525 zwischen 1% bis 30% oder zwischen 2% bis 20% oder zwischen 3% bis 10% einer Dicke t1 des ersten Teiles 1521.
  • Die obigen Beziehungen können in ähnlicher Weise auf einen Übergangsbereich zwischen den zweiten und dritten Teilen 1512, 1513, wie in 2A veranschaulicht, angewandt werden.
  • Der Übergangsbereich 1525 kann in einer Tiefe des Siliziumkörpers 106 kleiner als ein End-of-Range von bestrahlten Partikeln beginnen und kann in einer Tiefe größer als ein End-of-Range von bestrahlten Partikeln als Beispiel enden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein vertikaler Abstand zwischen der ersten Seite 109 und dem zweiten Teil zwischen 10 µm und 200 µm oder zwischen 40 µm und 180 µm oder sogar zwischen 60 µm und 150 µm.
  • Die Halbleitervorrichtung 140 umfasst wenigstens ein Bauelement aus einer vertikalen Halbleitervorrichtung und einer lateralen Halbleitervorrichtung, beispielsweise einen IGFET, wie einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) einschließlich Superjunction- bzw. Superübergang- und Nicht-Superjunction- bzw. Nicht-Superübergang-IGFETs, IGBTs, Dioden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Halbleitervorrichtung 140 eine diskrete Halbleitervorrichtung. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Halbleitervorrichtung 140 eine integrierte Schaltung. Anders als eine integrierte Schaltung (IC), die aus einigen bis Milliarden bzw. Billionen von aktiven Vorrichtungen besteht, die auf einem einzigen Halbleiterkörper hergestellt und zwischenverbunden sind, ist eine diskrete Halbleitervorrichtung ein einzelner Transistor oder eine einzelne Diode in dem Halbleiterkörper ohne irgendwelche anderen aktiven Halbleiterelemente, die hiermit zwischenverbunden sind. Obwohl passive Komponenten, wie Widerstände, Kondensatoren und Spulen in und/oder auf dem Halbleiterkörper gebildet werden können, ist die diskrete Halbleitervorrichtung ausgelegt bzw. spezifiziert, um eine elementare elektronische Funktion durchzuführen. Obwohl die diskrete Halbleitervorrichtung eine große Anzahl von Transistorzellen umfassen kann, ist die diskrete Halbleitervorrichtung ausgelegt, um eine elementare elektronische Funktion durchzuführen, und ist nicht in getrennte Komponenten teilbar, die in sich selbst funktional sind, wie dies typisch für integrierte Schaltungen ist.
  • Ein Beispiel eines Herstellens einer vertikalen Halbleitervorrichtung ist in 3A und 3B veranschaulicht als schematische Schnittdarstellungen des Halbleiterkörpers von 1C zum Darstellen eines Prozesses eines Bildens einer zweiten Lastanschlussstruktur 125 an der zweiten Seite 110 des Halbleiterkörpers 105.
  • Der Prozess kann Dotierungsprozesse des Halbleiterkörpers 105 an der zweiten Seite 110, beispielsweise Diffusions- und/oder Ionenimplantationsprozesse zum Bilden eines bzw. mehrerer dotierter Halbleiterbereiche in dem Halbleiterkörper 105 an der zweiten Seite 110 umfassen. Der bzw. die dotierten Halbleiterbereiche in dem Halbleiterkörper 105 der zweiten Lastanschlussstruktur 125 können dotierte Drainbereiche eines vertikalen FET oder einen Kollektor eines IGBT oder einen Anoden- oder Kathodenbereich einer vertikalen Leistungshalbleiterdiode als Beispiele umfassen.
  • 3B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers 105 von 3A zum Veranschaulichen eines Prozesses zum Bilden von Kontakten an den ersten und zweiten Seiten 109, 110 des Halbleiterkörpers 105.
  • Der Prozess zum Bilden von Kontakten an den ersten und zweiten Seiten 109, 110 kann ein Bilden einer oder einer Vielzahl von strukturierten bzw. gemusterten leitenden Schichten, wie Metallisierungsschichten umfassen, die elektrisch durch eine oder mehrere Zwischenpegel-Dielektrikumschichten isoliert sind, welche sandwichartig dazwischen vorgesehen sind. Kontaktöffnungen in der bzw. den Zwischenpegel-Dielektrikumschichten können mit einem bzw. mehreren leitenden Materialien gefüllt werden, um einen elektrischen Kontakt zwischen der einen oder den mehreren strukturierten leitenden Schichten vorzusehen. Die strukturierte(n) leitende(n) Schicht(en) und die Zwischenpegel-Dielektrikumschicht(en) können ein Verdrahtungsgebiet über dem Halbleiterkörper 105 an der ersten Seite 109 als Beispiel bilden. Eine leitende Schicht, beispielsweise eine Metallisierungsschicht oder ein Metallisierungsschichtstapel, kann beispielsweise an der zweiten Seite 110 vorgesehen werden.
  • Ein erster elektrischer Lastkontakt L1 zu der ersten Lastanschlussstruktur 120 und ein elektrischer Steueranschlusskontakt C zu der Steueranschlussstruktur, falls in der Halbleitervorrichtung vorhanden, können so in dem Verdrahtungsgebiet über der ersten Seite 109 gebildet werden. Ein zweiter elektrischer Lastkontakt L2 zu der zweiten Lastanschlussstruktur 125 kann an der zweiten Seite 110 gebildet werden.
  • Die Halbleitervorrichtung, die in dem Halbleiterkörper 105 mit den in den 3A und 3B veranschaulichten Prozessmerkmalen hergestellt ist, ist eine vertikale Halbleitervorrichtung, die einen Stromfluss zwischen ersten und zweiten Lastanschlusskontakten L1, L2 zwischen den entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten 109, 110 hat.
  • Im Fall einer lateralen Halbleitervorrichtung sind die zweite Lastanschlussstruktur 125 und der zweite elektrische Lastkontakt L2 an der ersten Seite 110 angeordnet.
  • 4 ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers 105, der in 3B dargestellt ist, nach Bilden einer Leistungshalbleiterdiode 1001, die die Fremdstoffkonzentration c1, c2, c3 von einem der Stoffe aus Stickstoff und Kohlenstoff aufweist, wie dies in den 2A, 2B dargestellt ist. Die Leistungshalbleiterdiode 1001 umfasst eine n--dotierte Driftzone 119. Die n--dotierte Driftzone 119 kann ein Teil eines n--dotierten Basis- bzw. Grundmaterials sein, beispielsweise ein n--dotierter Wafer. Ein p-dotierter Anodenbereich 1201 an der ersten Seite 109 ist in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschlusskontakt L1. Ein n+-dotierter Kathodenbereich 1251 an der zweiten Seite 110 ist in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Lastanschlusskontakt L2. Der Anodenbereich 1201 ist ein Beispiel der in 3B veranschaulichten ersten Lastanschlussstruktur 120. Der Kathodenbereich 1251 ist ein Beispiel der in 3B dargestellten zweiten Lastanschlussstruktur 125.
  • Die Leistungshalbleiterdiode 1001 kann weiterhin eine optionale n-dotierte Feldstoppzone 130 zwischen der n--dotierten Driftzone 119 und dem n+-dotierten Kathodenbereich 1251 umfassen.
  • 5 ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleiterkörpers 105 nach Bilden eines Leistungs-IGBT 1002, der die Fremdstoffkonzentration c1, c2, c3 von einem der Stoffe Stickstoff und Kohlenstoff umfasst, wie dies in 2A, 2B dargestellt ist. Der Leistungs-IGBT 1002 umfasst die n-dotierte Driftzone 119. Die n-dotierte Driftzone 119 kann ein Teil eines n--dotierten Grund- bzw. Basismaterials sein, beispielsweise ein n--dotierter Wafer. Eine Emitterstruktur 1202 an der ersten Seite 109 umfasst einen p-dotierten Bodybereich 1203 und einen n+-dotierten Sourcebereich 1204. Die Emitterstruktur ist in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschlusskontakt L1. Eine Gatestruktur, die ein Dielektrikum 141 und eine Gateelektrode 142 aufweist, ist auf dem Halbleiterkörper 105 an der ersten Seite 110 gebildet. Ein IGBT-Kollektor einschließlich eines p+-dotierten Rückseitenemitters 1252 an der zweiten Seite 110 ist in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Lastanschlusskontakt L2. Die optionale Feldstoppzone 130 kann zwischen der n--dotierten Driftzone 119 und dem n+-dotierten Kathodenbereich 1251 angeordnet sein.
  • Die Emitterstruktur 1202 ist ein Beispiel der in 3B veranschaulichten ersten Lastanschlussstruktur 120. Der IGBT-Kollektor ist ein Beispiel der in 3B dargestellten zweiten Lastanschlussstruktur 125. Im Falle eines IGFET kann der p+-dotierte Rückseitenemitter 1252 durch einen n+-dotierten Drainbereich ersetzt werden. Im Fall einer Superjunctionvorrichtung bzw. Superübergangvorrichtung kann die Driftzone 119 p- und n-dotierte Bereiche umfassen, die beispielsweise abwechselnd längs einer lateralen Richtung parallel zu der ersten Seite 109 angeordnet sind.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Reduzieren einer Fremdstoffkonzentration in einem einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper (105), wobei das Verfahren umfasst: Bestrahlen des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) mit Partikeln (107) durch eine erste Seite (109) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105), wobei die Partikel wenigstens einen Stoff aus Protonen und Heliumionen umfassen, und Entfernen wenigstens eines Teiles von Fremdstoffen (112) von einem bestrahlten Teil des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) durch Ausdiffusion von dem Silizium-Halbleiterkörper (105) durch die erste Seite (109) während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der einkristalline Silizium-Halbleiterkörper (105) ein magnetischer Czochralski-Siliziumkörper ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fremdstoffe (112) Stickstoff umfassen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die thermische Behandlung in dem Temperaturbereich zwischen 700°C bis 1200°C erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Fremdstoffe Kohlenstoff umfassen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die thermische Behandlung in dem Temperaturbereich zwischen 650°C bis 900°C erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die thermische Behandlung für eine Zeitdauer zwischen 10 Sekunden und zwanzig Stunden ausgeführt wird.
  8. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bestrahlen eines einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) mit Partikeln (107) durch eine erste Seite (109) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105), wobei die Partikel wenigstens einen Stoff aus Protonen und Heliumionen umfassen, Entfernen wenigstens eines Teiles von Fremdstoffen (112) von einem bestrahlten Teil des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) durch Ausdiffusion von dem Silizium-Halbleiterkörper (105) durch die erste Seite (109) während einer thermischen Behandlung in einem Temperaturbereich zwischen 450°C bis 1200°C, und Bilden einer ersten Lastanschlussstruktur (120) an der ersten Seite (109) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Halbleitervorrichtung eine vertikale Halbleitervorrichtung ist, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Bilden einer zweiten Lastanschlussstruktur (125) an einer zweiten Seite (110) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) entgegengesetzt zu der ersten Seite (109) .
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die vertikale Halbleitervorrichtung eine Halbleiterdiode (1001) ist, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Bilden eines Anodenbereiches (1201) in dem einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper (105) durch Einführen von p-Typ-Dotierstoffen durch die erste Seite (109) in den einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper (105), und Bilden eines Kathodenbereiches (1251) in dem einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper (105) durch Einführen von n-Typ-Dotierstoffen durch eine zweite Seite (110) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) in den einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper (105), wobei die zweite Seite (110) entgegengesetzt zu der ersten Seite (109) ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die vertikale Halbleitervorrichtung ein Bauelement aus einem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate und einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (1002) ist, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Bilden einer Steueranschlussstruktur an der ersten Seite (109) durch Bilden einer Gatedielektrikumstruktur (141) und einer Gateelektrodenstruktur (142) an der ersten Seite (109), Bilden einer Struktur aus einer Source und einem Emitter (1204) an der ersten Seite (109) durch Einführen von Dotierstoffen durch die erste Seite (109), und Bilden einer Struktur aus einer Drain (1252) und einem Kollektor an einer zweiten Seite (110) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105) entgegengesetzt durch die erste Seite (109) durch Einführen von Dotierstoffen durch die zweite Seite (110).
  12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem Halbleitervorrichtung eine laterale Halbleitervorrichtung ist, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Bilden einer zweiten Lastanschlussstruktur (125) an der ersten Seite (109) des einkristallinen Silizium-Halbleiterkörpers (105).
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Fremdstoffe (112) wenigstens einen Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff umfassen.
  14. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Siliziumkörper (105) mit entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten (109, 110), wobei ein erster Teil (1511) des Siliziumkörpers (105) an die erste Seite (109) angrenzt und ein zweiter Teil (1512) des Siliziumkörpers (105) zwischen dem ersten Teil (1511) und der zweiten Seite (110) angeordnet ist, der erste Teil (1511) und der zweite Teil (1512) jeweils einen Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff umfasst, wobei eine mittlere Konzentration von dem einen Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem ersten Teil (1511) kleiner als 60% einer mittleren Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil (1512) ist, und weiterhin umfassend einen dritten Teil (1513) des Siliziumkörpers (105) zwischen der zweiten Seite (110) und dem zweiten Teil (1512), wobei die mittlere Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem dritten Teil, (1513) kleiner als 60% der mittleren Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil (1512) ist.
  15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Siliziumkörper (105) ein magnetischer Czochralski-Siliziumkörper ist.
  16. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, bei der die mittlere Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil (1512) um weniger als 10% längs einer vertikalen Richtung zwischen den ersten und zweiten Seiten (109, 110) abweicht.
  17. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der ein vertikaler Abstand zwischen der ersten Seite (109) und dem zweiten Teil (1512) in einem Bereich zwischen 10 µm und 200 µm liegt.
  18. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der die Halbleitervorrichtung eine vertikale Leistungshalbleitervorrichtung ist, die eine erste Lastanschlussstruktur (120) an der ersten Seite (109) und eine zweite Lastanschlussstruktur (125) an der zweiten Seite (110) umfasst.
  19. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, weiterhin umfassend einen Übergangsbereich (1525) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1511, 1512), wobei ein Verhältnis eines mittleren Gradienten α2 der Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem Übergangsbereich (1525) und eines mittleren Gradienten α1 der Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem ersten Teil (1511) größer ist als 3.
  20. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, weiterhin umfassend einen Übergangsbereich (1525) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1511, 1512), wobei eine Dicke t2 des Übergangsbereiches (1525) in einem Bereich zwischen 1% bis 30% einer Dicke t1 des ersten Teiles (1511) liegt.
  21. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Siliziumkörper (105) mit entgegengesetzten ersten und zweiten Seiten (109, 110), wobei ein erster Teil (1511) des Siliziumkörpers (105) an die erste Seite (109) angrenzt und ein zweiter Teil (1512) des Siliziumkörpers (105) zwischen dem ersten Teil (1511) und der zweiten Seite (110) angeordnet ist, wobei eine mittlere Konzentration von einem Stoff aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem ersten Teil (1511) kleiner als 60% einer mittleren Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem zweiten Teil (1512) ist, und weiterhin umfassend einen Übergangsbereich (1525) zwischen den ersten und zweiten Teilen (1511, 1512), wobei ein Verhältnis eines mittleren Gradienten α2 der Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem Übergangsbereich (1525) und eines mittleren Gradienten α1 der Konzentration des einen Stoffes aus Stickstoff und Kohlenstoff in dem ersten Teil (1511) größer ist als 3.
DE102015109784.2A 2014-06-19 2015-06-18 Verfahren zum Reduzieren der Fremdstoffkonzentration in einem Halbleiterkörper, Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung und Halbleitervorrichtung Active DE102015109784B4 (de)

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US14/309,288 US9425063B2 (en) 2014-06-19 2014-06-19 Method of reducing an impurity concentration in a semiconductor body, method of manufacturing a semiconductor device and semiconductor device
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