DE10239312A1 - Production of a semiconductor component e.g. IGBT with a drift and a field stop layer comprises preparing a semiconductor layer having a base doping and an exposed front side, and introducing doping atoms into a drift zone region - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone und Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone und ein Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone.Method of manufacturing a semiconductor device with a drift zone and a field stop zone and semiconductor device with a drift zone and a field stop zone The present invention relates a method for producing a semiconductor device with a Drift zone and a field stop zone and a semiconductor device with a drift zone and a field stop zone.
Ein als IGBT ausgebildetes Halbleiterbauelement
mit einer Driftzone eines ersten Leitungstyps und einer sich an
die Driftzone anschließenden
Feldstoppzone des ersten Leitungstyps, die stärker als die Driftzone dotiert
ist, ist beispielsweise in der
Zur Herstellung der im Bereich der Rückseite des Halbleiterbauelements angeordneten Feldstoppzone ist es bekannt, Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps über die Rückseite in die Driftzone zu implantieren, um in dem implantierten Bereich die stärker als die Driftzone dotierte Feldstoppzone zu erzeugen. Die Kollektorzone kann ebenfalls durch ein Implantationsverfahren erzeugt werden, wobei hier unmittelbar anschließend an die Rückseite Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in den Halbleiterkörper implantiert werden.To manufacture the in the field of Back of the Field stop zone arranged in the semiconductor component, it is known Dopant atoms of the first conductivity type via the back into the drift zone implant to the stronger than in the implanted area to generate the drift zone doped field stop zone. The collector zone can also be created by an implantation procedure, being here immediately afterwards to the back Dopant atoms of the second conductivity type implanted in the semiconductor body become.
Zur Erzielung eines niedrigen Einschaltwiderstandes ist die Driftzone üblicherweise sehr dünn und beträgt unter Umständen weniger als 100 μm. Die Herstellung der Feldstoppzone mittels Implantation von Dotierstoffatomen über die Rückseite, setzt voraus, dass der Halbleiterkörper bzw. der Wafer, aus dem der Halbleiterkörper später ausgesägt wird, bereits annähernd bis auf die Dicke des späteren Halbleiterbauelements gedünnt ist. Das Handling derart dünner Wafer zur Rückseitenimplantation ist allerdings sehr aufwendig und teuer. Darüber hinaus muss der Wafer für diese Rückseitenimplantation nach Abschluss der Verfahrensschritte, bei welchen Bauelementstrukturen im Bereich der Vorderseite erzeugt werden „umgedreht" werden, das heißt, der zunächst an seiner Rückseite auf einem Träger befestigte Wafer muss für die Rückseitenimplantation an seiner Vorderseite an einem Träger befestigt werden, was insbesondere bei sehr dünnen Wafern schwierig und aufwendig ist.To achieve a low on resistance is the drift zone usually very thin and is in certain circumstances less than 100 μm. The Production of the field stop zone by implantation of dopant atoms over the Back, assumes that the semiconductor body or the wafer from which the semiconductor body later sawn is almost approaching down to the thickness of the later semiconductor device thinned is. The handling is so thin Back implantation wafer however, is very complex and expensive. It also needs the wafer for this Back implantation after Completion of the process steps for which component structures generated in the area of the front are "turned over", that is, the one initially on its back on a support attached wafer must for the back implantation be attached to a support at its front, which in particular with very thin ones Wafers are difficult and expensive.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone undeiner Feldstoppzone zur Verfügung zu stellen, bei dem zur Herstellung der Feldstoppzone keine Rückseitenimplantation erforderlich ist.The aim of the present invention is a method for producing a semiconductor device with a To provide a drift zone and a field stop zone in which the Establishing the field stop zone no back implantation is required.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein mittels eines solchen Verfahrens hergestelltes Halbleiterbauelement ist Gegenstand des Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This goal is achieved through a process according to the characteristics of claim 1 solved. A semiconductor device manufactured using such a method is the subject of claim 13. Advantageous refinements the invention are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone eines ersten Leitungstyps und einer stärker als die Driftzone dotierten und sich an diese anschließende Feldstoppzone des ersten Leitungstyps umfasst das Bereitstellen eines Halbleiterkörpers mit einer Halbleiterschicht, die eine Grunddotierung des ersten Leitungstyps und eine freiliegende Vorderseite aufweist, und das Einbringen von Dotierstoffatomen über die Vorderseite in einen Driftzonenbereich, der von der Vorderseite bis in eine vorgegebene Tiefe reicht, die geringer ist, als eine Dicke der Halbleiterschicht.The manufacturing method according to the invention of a semiconductor device with a drift zone of a first conductivity type and one stronger doped as the drift zone and adjoining this field stop zone of the first conductivity type also includes the provision of a semiconductor body a semiconductor layer which has a basic doping of the first conductivity type and has an exposed front, and the introduction of Dopant atoms over the front into a drift zone area from the front to a predetermined depth that is less than one Thickness of the semiconductor layer.
Die Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere eine Epitaxieschicht sein, die auf einem Halbleitersubstrat, eines zweiten, zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps aufgebracht ist, wobei dieses Halbleitersubstrat eine der Anschlusszonen des späteren Halbleiterbauelements, beispielweise eine Kollektorzone bei einem IGBT, bilden kann. Die Grunddotierung der Halbleiterschicht ist vorzugsweise so gewählt, dass sie der gewünschten Dotierung der Feldstoppzone entspricht, wobei die Feldstoppzone durch den Bereich der Halbleiterschicht gebildet wird, in welchen keine Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps implantiert werden oder in den nur vergleichsweise wenig Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps implantiert werden. Die im Vergleich zu der Feldstoppzone niedrigere Dotierung der Driftzone wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in die Halbleiterschicht in den Bereich der späteren Driftzone eingebracht werden, wobei diese Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps einen Teil der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in der Halbleiterschicht kompensieren. In dem Bereich, in den Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps eingebracht wurden, verbleibt eine Nettodotierung des ersten Leitungstyps, die geringer ist als die ursprüngliche Grunddotierung der Halbleiterschicht.The semiconductor layer of the first In the method according to the invention, line type can in particular be an epitaxial layer, which on a semiconductor substrate, one second conduction type complementary to the first conduction type is, wherein this semiconductor substrate is one of the connection zones of the later Semiconductor component, for example a collector zone in an IGBT, can form. The basic doping of the semiconductor layer is preferred chosen so that they're the one you want Doping corresponds to the field stop zone, the field stop zone is formed by the area of the semiconductor layer in which no dopant atoms of the second conductivity type are implanted or in the comparatively few dopant atoms of the second Be implanted. The lower compared to the field stop zone The drift zone is doped in the method according to the invention achieved by dopant atoms of the second conductivity type introduced into the semiconductor layer in the area of the later drift zone are, these dopant atoms of the second conductivity type one Compensate for some of the dopant atoms of the first conductivity type in the semiconductor layer. In the area in the dopant atoms of the second conductivity type have been introduced, there remains a net doping of the first conduction type, which is less than the original basic funding the semiconductor layer.
Die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps werden vorzugsweise mittels eines Implantationsverfahrens über die Vorderseite in die Halbleiterschicht implantiert, wobei unter schiedliche Implantationsenergien verwendet werden, um die Dotierstoffatome wenigstens annäherungsweise gleichmäßig in vertikaler Richtung in der Halbleiterschicht zu verteilen. Des weiteren erfolgt die Bestrahlung der Vorderseite mit Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps während des Implantationsverfahrens ebenfalls wenigstens annäherungsweise gleichmäßig, um in horizontaler Richtung der Halbleiterschicht ebenfalls eine gleichmäßige Verteilung der zweiten Dotierstoffatome zu erreichen. An den Implantationsschritt schließt sich vorzugsweise ein Temperaturschritt an, um Implantationsschäden auszuheilen, die eingebrachten Dotierstoffatome zu aktivieren und durch Diffusion eine gleichmäßigere Verteilung der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps zu erreichen.The second Lei dopant atoms device type are preferably implanted into the semiconductor layer via the front using an implantation method, wherein different implantation energies are used to distribute the dopant atoms at least approximately uniformly in the vertical direction in the semiconductor layer. Furthermore, the front side is irradiated with dopant atoms of the second conductivity type during the implantation process, likewise at least approximately uniformly, in order to likewise achieve a uniform distribution of the second dopant atoms in the horizontal direction of the semiconductor layer. The implantation step is preferably followed by a temperature step in order to heal implantation damage, to activate the dopant atoms introduced and to achieve a more uniform distribution of the dopant atoms of the second conductivity type by diffusion.
Für das Implantationsverfahren kann beispielsweise in Implanter verwendet werden, bei dem die Implantationsenergien, das heißt die Energien, mit welchen die Dotierstoffatome in Richtung der Vorderseite der Halbleiterschicht bzw. des Wafers abgegeben werden, stufenweise eingestellt werden können, wobei über die Implantationsenergie im Wesentlichen die Eindringtiefe der während der einzelnen Implantationsschritte implantierten Dotierstoffatome eingestellt wird.For the implantation method can be used for example in Implanter at which the implantation energies, i.e. the energies, with which the dopant atoms towards the front of the semiconductor layer or the wafer are released, gradually adjusted can, being about the implantation energy is essentially the depth of penetration during the individual implantation steps implanted dopant atoms set becomes.
Des weiteren besteht die Möglichkeit Dotierstoffatome mit einer vorgegebenen Energie in Richtung der Vorderseite des Halbleiterkörpers abzugeben, wobei oberhalb der Vorderseite ein Energiefilter mit variabler Dämpfung angeordnet ist, welches die Dotierstoffatome je nach eingestelltem Dämpfungsgrad unterschiedlich abbremst, um so unterschiedliche Eindringtiefen der Dotierstoffatome bzw. eine gleichmäßige Verteilung der Dotierstoffatome in vertikaler Richtung der Halbleiterschicht zu erreichen.There is also the possibility Dopant atoms with a given energy in the direction of Front of the semiconductor body to deliver, with an energy filter above variable damping is arranged, which the dopant atoms depending on the set damping ratio brakes differently, so different penetration depths of the dopant atoms or a uniform distribution of the dopant atoms to reach in the vertical direction of the semiconductor layer.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Dosis der implantierten Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps ab einer vorgegebenen Tiefe, ausgehend von der Vor derseite mit zunehmender Tiefe zu reduzieren, um dadurch einen stetigen Übergang von der, bezogen auf die Nettodotierung, schwächer dotierten Driftzone zu der stärker dotierten Feldstoppzone zu erreichen.In one embodiment of the invention, the dose of the implanted dopant atoms of the second conductivity type from a given depth, starting from the front with increasing To reduce depth, thereby creating a steady transition from the, based on the net funding, weaker doped drift zone to the more heavily doped To reach the field stop zone.
Zur Einstellung des Dotierungsprofils in der Feldstoppzone wird bei einer Ausführungsform des Verfahrens auch in die Feldstoppzone – allerdings mit einer niedrigeren Dosis als in die Driftzone – implantiert.For setting the doping profile In one embodiment of the method, the field stop zone is also used in the field stop zone - however with a lower dose than in the drift zone - implanted.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist zur Herstellung eines abrupten Dotierungsübergangs von der schwächeren Nettodotierung des ersten Leitungstyps im Bereich der Driftzone zu einer stärkeren Dotierung des ersten Leitungstyps vorgesehen, an den Diffusionsschritt einen weiteren Implantationsschritt anzuschließen, bei dem die Implantationsenergie so eingestellt ist, dass Dotierstoffatome in den Grenzbereich zwischen der Driftzone und der Feldstoppzone implantiert werden, wobei sich an diesen Implantationsschritt kein Diffusionsschritt anschließt.In one embodiment of the invention Establishment of an abrupt doping transition from the weaker net doping of the first conductivity type in the area of the drift zone to a stronger doping of the first conduction type is provided for the diffusion step to connect another implantation step in which the implantation energy is set so that dopant atoms in the border area between the drift zone and the field stop zone are implanted no diffusion step follows this implantation step.
Das erfindungsgemäße, mittels des erläuterten Verfahrens hergestellte Halbleiterbauelement umfasst eine dotierte Driftzone und eine, sich an die dotierte Driftzone anschließende dotierte Feldstoppzone, wobei die Feldstoppzone Dotierstoffatome eines ersten Leitungstyps umfasst und die Driftstoffzone Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps und Dotierstoffatome eines zweiten, zu dem ersten Leistungstyps komplementären Leitungstyps umfasst, wobei die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps wenigstens annäherungsweise gleichmäßig in der Driftzone verteilt sind und die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffatome des ersten und des zweiten Leitungstyps in der Driftzone so gewählt sind, dass eine Nettodotierung des ersten Leitungstyps vorhanden ist.The inventive, by means of the explained Processed semiconductor device comprises a doped Drift zone and a doped adjoining the doped drift zone Field stop zone, the field stop zone dopant atoms of a first Includes conductivity type and the drift zone dopant atoms first conductivity type and dopant atoms of a second, to the first Service type complementary Conductivity type includes, wherein the dopant atoms of the second conductivity type at least approximately even in the drift zone are distributed and the dopant concentration of the dopant atoms of the first and second conduction types in the drift zone are selected that there is a net doping of the first line type.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements nimmt die Dotierstoffkonzentration an Dotier stoffatomen des zweiten Leitungstyps in einem Übergangsbereich von der Driftzone zu der Feldstoppzone stetig ab.In one embodiment of the semiconductor component according to the invention takes the dopant concentration of dopant atoms of the second conductivity type in a transition area from the drift zone to the field stop zone.
Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dotierstoffkonzentration an Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps in einem Übergangsbereich von der Driftzone zu der Feldstoppzone abrupt abnimmt.In another embodiment it is provided that the dopant concentration of dopant atoms of the second conduction type in a transition area from the drift zone to the field stop zone abruptly decreases.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigtThe method according to the invention and the semiconductor component according to the invention are described below using exemplary embodiments in figures explained in more detail. In shows the figures
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Strukturelemente mit gleicher Bedeutung.Designate in the figures, if not otherwise specified, same reference numerals, same parts and Structural elements with the same meaning.
Wie anhand von
Die Dicke der Halbleiterschicht
Während
nächster
Verfahrensschritte werden Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps über die
Vorderseite
Das Implantationsverfahren umfasst
beispielsweise gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend mehrere
Implantationsschritte, bei denen Dotierstoffatome mit unterschiedlichen
Energien auf die Vorderseite
Die maximale Implantationsenergie
ist dabei so gewählt,
dass die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps nur bis zu einer
Tiefe vordringen, die geringer ist, als die Dicke der Halbleiterschicht
Zum besseren Verständnis sind
in
Die parabelförmigen Kurven in
Die Anzahl der einzelnen Implantationsschritte bzw. die Anzahl der verwendeten Implantationsenergien ist vorzugsweise sehr groß, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung an Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers zu erreichen, wobei die Implantationsdosis mit zunehmender Tiefe abnehmen kann, um einen kontinuierlichen Dotierungsübergang von der Driftzone zu der Feldstoppzone zu erreichen, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.The number of individual implantation steps or the number of implantation energies used is preferred very large, to one if possible even distribution on dopant atoms of the second conductivity type in the vertical direction of the Semiconductor body to achieve, the implantation dose with increasing depth can decrease to a continuous doping transition to reach from the drift zone to the field stop zone as below still explained will be.
An die Implantation der Dotierstoffatome
des zweiten Leitungstyps schließt
sich ein Diffusionsverfahren an, bei dem die Halbleiterschicht für eine vorgegebene
Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, um ein
Ausheilen von Implantationsschäden
zu erreichen und die implantierten Dotierstoffatome des zweiten
Leitungstyps in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers möglichst
gleichmäßig zu verteilen.
Ergebnis dieses Diffusionsprozesses ist, wie dies in
In der Feldstoppzone sind ausschließlich Dotierstoffatome
des ersten Leitungstyps mit der Konzentration der Grunddotierung
der ursprünglichen Halbleiterschicht
Die maximale Implantationstiefe beträgt bei dem
Beispiel gemäß
Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen wird ein stetiger Übergang von der Driftzone mit einer niedrigen Nettodotierung des ersten Leitungstyps zu der Feldstoppzone mit einer höheren Dotierung des ersten Leitungstyps dadurch erreicht, dass die Implantationsdosen mit zunehmenden Implantationstiefen in Richtung der Feldstoppzone nehmen.In the previously explained exemplary embodiments will be a steady transition from the drift zone with a low net doping of the first Conduction type to the field stop zone with a higher doping of the first Conduction type achieved in that the implantation doses with increasing Take the implantation depths in the direction of the field stop zone.
Anhand von
Hierzu wird ein zweistufiges Implantationsverfahren
verwendet, wobei sich an das erste Implantationsverfahren ein Diffusionsschritt
und an das zweite Implantationsverfahren kein solcher Diffusionsschritt – oder allenfalls
ein Diffusionsschritt bei dem eine vergleichsweise geringe Diffusion
der eingebrachten Dotierstoffatome erfolgt – anschließt.
An den zweiten Implantationsschritt schließt sich vorzugsweise ein Temperaturprozess zur Ausheilung von Implantationsschäden an, wobei dieser Temperaturprozess vorzugsweise so gewählt ist, dass möglichst keine bzw. eine im Vergleich zu dem Diffusionsverfahren im Anschluss an den ersten Implantationsschritt möglichst geringe Diffusion der eingebrachten Dotierstoffatome erfolgt. Geeignete Temperaturprozesse zur Ausheilung von Implantationsschäden bei einer geringen Diffusion sind RTP- oder RTA-Schritte (RTP= Rapid Thermal Processing, RTA = Rapid Thermal Annealing).The second implantation step closes preferably a temperature process to heal implant damage, this temperature process is preferably selected such that preferably none or one in comparison to the diffusion process afterwards diffusion of the first implantation step as little as possible introduced dopant atoms. Suitable temperature processes to heal implant damage with a low diffusion are RTP or RTA steps (RTP = Rapid Thermal Processing, RTA = Rapid Thermal Annealing).
Die Welligkeit der Nettodotierung
der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in der Driftzone, die
in
Um mit geringem Aufwand eine homogene Dotierung
des Wafers bzw. der Halbleiterschicht zu erreichen, ist bei einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, Dotierstoffatome mit der maximalen Implantationsenergie
bereit zu stellen, und einen Energiefilter
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die Feldstoppzone mittels Verfahrensschritten
hergestellt wird, bei denen die Vorderseite der Halbleiterschicht
frei liegen muss und somit keine Implantationsschritte über die
Rückseite erforderlich
sind. Bei der Darstellung gemäß
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit,
anstelle des in
Bei den bisher erläuterten Verfahren wurde davon ausgegangen, dass in die Feldstoppzone keine Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps implantiert werden, so dass die Dotierung der Feldstoppzone der Grunddotierung der Halbleiterschicht bzw. des Halbleiterkörpers vor der Implantation entspricht.In the previously explained Procedure was assumed that none in the field stop zone Dopant atoms of the second conductivity type are implanted, see that the doping of the field stop zone of the basic doping of the semiconductor layer or the semiconductor body before implantation.
Bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist vorgesehen, auch Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in dem Bereich der Halbleiterschicht zu implantieren, der der späteren Feldstoppzone entspricht, wobei die Implantationsdosis dieser Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps niedriger gewählt ist, als die Implantationsdosis von Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps in solchen Bereichen, die die spätere Driftzone bilden. Über die Implantation von Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps in dem Bereich der Feldstoppzone kann insbesondere bei fein abgestuften Implantationen mit sehr geringer Dosis und hoher Energie in Kombination mit einem oder mehreren Diffusionsschritten der Gradient des Dotierprofils in der Feldstoppschicht sehr genau justiert werden.In an embodiment, not shown of the method according to the invention, it is provided that dopant atoms of the second conductivity type in to implant the area of the semiconductor layer, that of the later field stop zone corresponds, the implantation dose of these dopant atoms of the second conduction type is chosen to be lower than the implantation dose of dopant atoms of the second conductivity type in such areas, the later Form drift zone. about the implantation of dopant atoms of the second conductivity type in the area of the field stop zone can be particularly fine graded Very low dose and high energy implantations in combination with one or more diffusion steps the gradient of the doping profile can be adjusted very precisely in the field stop layer.
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