DE10239312B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone und Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone und Halbleiterbauelement mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone (23) eines ersten Leitungstyps und einer stärker als die Driftzone (23) dotierten und sich an diese anschließende Feldstoppzone (20) des ersten Leitungstyps, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
–Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100) mit einer Halbleiterschicht (20), die eine Grunddotierung des ersten Leitungstyps, und eine freiliegende Vorderseite (101) aufweist,
– Einbringen von Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps über die Vorderseite (101) in einen Driftzonenbereich, der von der Vorderseite (101) bis in eine vorgegebene Tiefe reicht, wobei die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps so gewählt ist, dass in dem Driftzonenbereich (23) eine Nettodotierung des ersten Leitungstyps verbleibt, und wobei die vorgegebene Tiefe geringer ist als eine Dicke der Halbleiterschicht (20).

Description

  • 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.
  • 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 DE 197 31 495 C2 beschrieben. Dieses als IGBT ausgebildete Halbleiterbauelement umfasst neben der Driftzone und der Feldstoppzone eine Kollektorzone eines zu der Driftzone und der Feldstoppzone komplementären zweiten Leitungstyps, die sich an die Feldstoppzone an einer der Driftzone abgewandten Seite anschließt und die den Kollektor des IGBT bildet. An einer der Feldstoppzone abgewandten Seite der Driftzone sind Basiszonen oder Body-Zonen des zweiten Leitungstyps vorhanden, in welchen Emitter-Zonen oder Source-Zonen des ersten Leitungstyps angeordnet sind. Zur Steuerung des Bauelements dienen Gate-Elektroden, die isoliert gegenüber den Basis-Zonen und den Emitter-Zonen angeordnet sind. Die Feldstoppzone verhindert bei diesem Bauelement bei Anlegen einer Spannung zwischen Emitter und Kollektor in gesperrtem Zustand ein Durchgreifen der Raumladungszone bis an den rückseitigen Kollektor.
  • 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.
  • 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.
  • Die US 5,648,283 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Trench-IGBT, der ein stark p-dotiertes Substrat, das den späteren p-Emitter bildet, und eine darauf aufgebrachte n-dotierte Epitaxieschicht, die die spätere n-Basis bildet aufweist. Zur Herstellung der p-Basiszone wird diese n-Epitaxieschicht im Bereich einer dem p-Substrat abgewandten Seite durch Einbringen von p-Dotierstoffatomen umdotiert. Zwischen dem p-Substrat und der n-Epitaxieschicht kann eine stark n-dotierte Pufferschicht angeordnet sein, die die Funktion einer Feldstoppzone erfüllt.
  • Die DE 100 00 754 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kompensationsbauelements, das eine Driftzone mit komplementär zueinander dotierten Halbleiterzonen aufweist. p-dotierte Halbleiterzonen werden bei dem in dieser Veröffent lichung beschriebenen Verfahren dadurch hergestellt, dass p-Dotierstoffatome über eine Seite in eine eine n-Grunddotierung aufweisende Halbleiterschicht implantiert werden.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone und einer Feldstoppzone zur Verfügung zu stellen, bei dem zur Erstellung der Feldstoppzone keine Rückseitenimplantation erforderlich ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für das Implantationsverfahren kann beispielsweise ein 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 die Eindringtiefe der während der einzelnen Implantationsschritte implantierten Dotierstoffatome eingestellt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist zur Herstellung eines abrupten Dotierungsübergangs von der schwächeren Netto dotierung 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.
  • 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.
  • 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.
    •
  • 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.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
  • 1 eine Halbleiterschicht in Seitenansicht im Querschnitt zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 die Halbleiterschicht gemäß 1 in Seitenansicht im Querschnitt nach ersten Verfahrensschritten, bei denen Dotierstoffatome in einen Driftzonenbereich der Halbleiterschicht implantiert werden,
  • 3 Dotierstoffverteilungen von Dotierstoffatomen des ersten und zweiten Leitungstyps in dem Driftzonenbereich über der Eindringtiefe beieinem ersten Verfahren zum Einbringen von Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps,
  • 4 Dotierstoffverteilungen von Dotierstoffatomen des ersten und zweiten Leitungstyps in dem Driftzonenbereich über der Eindringtiefe bei einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum Einbringen von Dotierstoffatomen,
  • 5 Halbleiterschicht gemäß der 1 und 2 in Seitenansicht im Querschnitt nach nächsten Verfahrensschritten, bei denen eine Ausdiffu sion der eingebrachten Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps erfolgt,
  • 6 Nettodotierung der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps über der Eindringtiefe nach der Ausdiffusion bei dem ersten Verfahren zum Einbringen der Dotierstoffatome,
  • 7 Nettodotierung der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps über der Eindringtiefe nach der Ausdiffusion bei dem zweiten Verfahren zum Einbringen von Dotierstoffatomen,
  • 8 Dotierstoffverteilung der Dotierstoffatome des ersten und zweiten Leitungstyps über der Eindringtiefe bei einem weiteren Verfahren zum Einbringen von Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps (8a) und Nettodotierung der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps nach der Ausdiffusion bei dem weiteren Verfahren zum Einbringen von Dotierstoffatomen (8b),
  • 9 eine schematische Darstellung eines Halbleiterwafers und eines Energiefilters zur Veranschaulichung eines möglichen Verfahrens zum Einbringen von Dotierstoffatomen in unterschiedliche Tiefen der Halbleiterschicht
  • 10 als IGBT ausgebildetes Halbleiterbauelement mit erfindungsgemäß hergestellten Driftzonen und Feldstoppzonen,
  • 11 als Diode ausgebildetes Halbleiterbauelement mit erfindungsgemäß hergestellten Driftzonen und Feldstoppzonen.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile und Strukturelemente mit gleicher Bedeutung.
  • Wie anhand von 1 dargestellt ist, bildet den Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Bereitstellen einer Halbleiterschicht 20 mit einer Grunddotierung eines ersten Leitungstyps, wobei diese Halbleiterschicht 20 eine freiliegende Vorderseite 101 aufweist. Die Halbleiterschicht 20 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 beispielhaft als Bestandteil eines Halbleiterkörpers oder Wafers 100 ausgebildet, wobei diese Halbleiterschicht 20 beispielsweise mittels Epitaxie auf ein Halbleitersubstrat 30 eines zweiten, zu dem ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps aufgebracht ist. Die Vorderseite 101 der Halbleiterschicht 20 wird dabei durch die Vorderseite des Halbleiterkörpers oder Wafers 100 gebildet. Das Halbleitersubstrat 30 kann zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens so ausreichend dick sein, dass der Wafer während der nachfolgenden Verfahrensschritte gut handhabbar ist.
  • Die Dicke der Halbleiterschicht 20 ist beispielsweise bereits so gewählt, dass sie in etwa der Dicke der späteren Driftzone plus der Feldstoppzone des Halbleiterbauelements entspricht.
  • Während nächster Verfahrensschritte werden Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps über die Vorderseite 101 in die Halbleiterschicht 20, beispielsweise mittels eines Implantationsverfahrens eingebracht. Auf die Vorderseite 101 der Halbleiterschicht 20 ist dabei keine Maske aufgebracht, um so in horizontaler Richtung eine gleichmäßige Bestrahlung der Vorderseite 101 mit Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps zu erreichen.
  • Das Implantationsverfahren umfasst beispielsweise gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend mehrere Implantationsschritte, bei denen Dotierstoffatome mit unterschiedlichen Energien auf die Vorderseite 101 des Halbleiterkörpers abge geben werden, wodurch die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in vertikaler Richtung in unterschiedliche Tiefen der Halbleiterschicht 20 vordringen.
  • 2 zeigt die Halbleiterschicht 20 nach einem Implantationsverfahren, bei dem Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps mit im Wesentlichen sechs unterschiedlichen Implantationsenergien in die Halbleiterschicht 20 implantiert wurden. Aus diesen Implantationsschritten resultieren Implantationszonen 22, die in vertikaler Richtung der Halbleiterschicht 20 beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei der vertikale Abstand dieser Zonen 22 durch die Differenz der jeweiligen Implantationsenergien vorgegeben ist.
  • 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 20, so dass am unteren Ende der Halbleiterschicht eine ebenfalls mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Halbleiterzone verbleibt, deren Dotierung der Grunddotierung der Halbleiterschicht 20 gemäß 1 entspricht und in welche keine Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps implantiert sind. Mit dem Bezugszeichen 21 sind in 2 solche Zonen der ursprünglichen Halbleiterschicht 20 bezeichnet, in die zwar keine Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps implantiert sind, die jedoch gegebenenfalls Implantationsschäden aufweisen.
  • Zum besseren Verständnis sind in 3 für ein Ausführungsbeispiel die Dotierstoffverteilungen der Dotierstoffatome des ersten und zweiten Leitungstyps in der Halbleiterschicht 20 mit zunehmender Tiefe x, ausgehend von der Vorderseite 101 aufgetragen. Die in 3 durchgezogene Linie veranschaulicht die Dotierstoffkonzentration der Grunddotierung der Halbleiterschicht 20 gemäß 1, die in dem Ausführungsbeispiel etwa 2·1015 cm–3 beträgt.
  • Die parabelförmigen Kurven in 3 veranschaulichen die Dotierstoffkonzentration an Dotierstoffatomen bzw. Dotierstoffionen des zweiten Leitungstyps in Zonen, die den Zonen 22 gemäß 2 entsprechen. Der Kurve gemäß 3 liegen acht Implantationsprozesse mit unterschiedlichen Implantationsenergien zugrunde, wobei die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps beispielsweise Boratome sind, die mit Implantationsenergien zwischen 3MeV und 25MeV implantiert werden, wobei die Differenz der Implantationsenergien zwischen den einzelnen Implantationsschritten die Differenz der Eindringtiefen dieser Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps vorgibt. Bei dem Verfahren gemäß 3 sind die Implantationsdosen, die während der Implantationsschritte mit den sechs niedrigsten Implantationsenergien implantiert werden, gleich, woraus Zonen 22 mit Dotierstoffkonzentrationen zwischen 1014 cm–3 und etwa 3·1016 cm–3 resultieren. Bei den Implantationsschritten mit den beiden höchsten Implantationsenergien ist die Implantationsdosis verringert, woraus in den am Weitesten von der Vorderseite entfernten Zonen 22 Dotierstoffverteilungen zwischen 1014 cm–3 und etwa 2·1015 cm–3 bzw. 1014 cm–3 und etwa 3·1014 cm–3 resultieren.
  • 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.
  • 4 zeigt eine der 3 entsprechende Darstellung für ein Verfahren, bei dem im Wesentlichen mit neun Implantationsenergien Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in den Halbleiterkörper implantiert wurden, wobei bei den Implanta tionsschritten mit den fünf niedrigsten Implantationsenergien die Implantationsdosen mit zunehmender Implantationsenergie abnehmen. Darüber hinaus sind in diesem Bereich Differenzen zwischen den Implantationsenergien der einzelnen Implantationsschritte geringer als bei den Implantationsschritten mit niedrigeren Implantationsenergien, um so einen möglichst stetigen, Dotierungsübergang zu erhalten, wie noch erläutert werden wird.
  • 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 5 dargestellt ist, eine Driftzone 23 und eine Feldstoppzone 20, wobei in der Driftzone 23 Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in der Konzentration der Grunddotierung der ursprünglichen Halbleiterschicht 20 und die während des Implantationsprozesses eingebrachten Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps vorhanden sind.
  • In der Feldstoppzone sind ausschließlich Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps mit der Konzentration der Grunddotierung der ursprünglichen Halbleiterschicht 20 vorhanden. Das Vorhandensein von Dotierstoffatomen des ersten und zweiten Leitungstyps in der Driftzone 23 resultiert zu einer Nettodotierung des ersten Leitungstyps in der Driftzone 23, die niedriger ist als die ursprüngliche Grunddotierung der Halbleiterschicht 20, da sich die Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps und die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in der Driftzone 23 teilweise kompensieren. Hieraus resultiert eine Driftzone 23, die im Vergleich zu Feldstoppzone 20 niedriger mit Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps dotiert ist.
  • 6 zeigt die Nettodotierung an Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps über der Eindringtiefe x ausgehend von der Vorderseite 101 für das Implantationsprofil gemäß 3. Im Detail betrachtet besitzt diese Nettodotierung eine gewisse Welligkeit, die daraus resultiert, dass die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps bei dem zuvor erläuterten Verfahren nicht mit kontinuierlich verteilten Implantationsenergien implantiert wurden, sondern in vertikaler Richtung beabstandete implantierte Zonen erzeugt wurden, wobei die Dotierstoffatome dieser implantierten Zonen anschließend ausdiffundiert wurden. Die Nettodotierung der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps ist in der Driftzone bzw. in dem Driftzonenbereich dort besonders niedrig, wo Implantationszonen, die in 2 mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet sind, erzeugt wurden. Die in 6 dargestellte Nettodotierung resultiert aus der in 3 dargestellten Dotierstoffverteilung, wobei die Nettodotierung in Bereichen der Feldstoppzone, die tiefer liegen als die maximale Implantationstiefe, der ursprünglichen Grunddotierung des ersten Leitungstyps entspricht. Der Übergang von der niedrigeren Nettodotierung zu der Grunddotierung ist im Beispiel gemäß 6 ebenfalls wellig, verläuft im Mittel jedoch stetig, wobei der vergleichsweise lange Übergangsbereich, dessen Abmessung in vertikaler Richtung etwa 20 μm beträgt, aus den niedrigeren Implantationsdosen am unteren Ende des Driftzonenbereiches resultieren.
  • Die maximale Implantationstiefe beträgt bei dem Beispiel gemäß 6 etwa 35 μm ausgehend von der Vorderseite.
  • 7 zeigt die Nettodotierung an Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps in der Driftzone gemittelt, das heißt unter Vernachlässigung der Welligkeit für das Ausführungsbeispiel gemäß 4, bei dem im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß 4 eine feinere Abstufung der Implantationsenergien am unteren Ende der Driftzone gewählt wurde.
  • 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.
  • Anhand von 8 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, mittels welchem ein abrupter Übergang von der niedrigeren Nettodotierung im Bereich der Driftzone zu der höheren Dotierung im Bereich der Feldstoppzone erreicht wird.
  • 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. 8a zeigt die Dotierstoffverteilungen an Dotierstoffatomen des ersten und zweiten Leitungstyps über der Eindringtiefe x ausgehend von der Vorderseite, wobei die durchgezogen gezeichneten parabelförmigen Verteilungen des zweiten Leitungstyps während des ersten Implantationsverfahrens und die gestrichelt eingezeichnete parabelförmige Verteilung an Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps während des zweiten Implantationsverfahrens erzeugt wird. Beispielhaft wird in 8a davon ausgegangen, dass zunächst mit im Wesentlichen fünf unterschiedlichen Implantationsenergien implantiert wird, um die durchgezogen gezeichneten Dotierstoffverteilungen zu erhalten. An diese Implantation schließt sich ein Diffusionsverfahren an, aus dem eine Nettodotierung an Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps resultiert, die in 8b über der Eindringtiefe dargestellt ist. Die Nettodotierung in 8b ist wieder gemittelt, das heißt unter Vernachlässigung der Welligkeit dargestellt. Wie ersichtlich ist, steigt die Dotierstoffkonzentration, ausgehend von der nied rigeren Nettodotierung im Bereich der Driftzone vergleichsweise langsam zu der höheren Dotierung im Bereich der Feldstoppzone an. Nach dem zweiten Implantationsschritt, bei dem Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in den Übergangsbereich zwischen der Driftzone und der Feldstoppzone implantiert werden, ergibt sich der in 8b gestrichelt eingezeichnete Verlauf. Hieraus wird deutlich, dass aus dem zweiten Implantationsschritt ein wesentlich steilerer Übergang zwischen der niedrigeren Dotierung im Bereich der Driftzone und der höheren Dotierung im Bereich der Feldstoppzone erreicht werden kann.
  • 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).
  • Die Welligkeit der Nettodotierung der Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps in der Driftzone, die in 6 dargestellt ist, resultiert – wie bereits erläutert wurde – daraus, dass üblicherweise nicht mit kontinuierlich verteilten Implantationsenergien implantiert wird. Idealerweise werden sehr viele Implantationsschritte mit unterschiedlichen Implantationsenergien durchgeführt, die sich nur wenig von einander unterscheiden, um in vertikaler Richtung eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in der Driftzone zu erreichen. Allerdings ist das Einstellen unterschiedlicher Implantationsenergien an herkömmlichen Implantern vergleichsweise zeitaufwändig.
  • 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 200 vor der Vorderseite 101 des Wafers 100 zu positionieren, wie dies in 9 dargestellt ist. Der Pfeil in 9 veranschaulicht den Strahl mit Dotierstoffatomen bzw. Dotierstoffionen des zweiten Leitungstyps. Das Energiefilter besteht beispielsweise aus Silizium und besitzt einen keilförmigen Querschnitt, wobei das Energiefilter durch den Ionenstrahl durchstrahlt wird. Bei den erfindungsgemäßen Implantationsverfahren wird der Ionenstrahl auf eine Stelle der Vorderseite 101 des Wafers 100 gerichtet und der Energiefilter mechanisch so verfahren, dass alle Querschnittsbereiche des Energiefilters zeitlich aufeinander folgend durchstrahlt werden, wobei die Ionen unterschiedlich abgebremst werden und dadurch unterschiedlich tief in den Wafer 100 eindringen. Befindet sich das Filter an einer Position, bei der es den Ionenstrahl nicht behindert, werden die Ionen in die maximale Tiefe implantiert. Um in horizontaler Richtung des Wafers eine möglichst homogene Verteilung zu erreichen, wird der Ionenstrahl an möglichst vielen unterschiedlichen Positionen positioniert und das zuvor erläuterte Verfahren wiederholt.
  • 10 zeigt ein als IGBT ausgebildetes erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einer Driftzone 23 und einer Feldstoppzone 20, wobei die Driftzone 23 gemäß dem zuvor erläuterten Verfahren erzeugt wurde und Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps und Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps aufweist, wobei eine Nettodotierung des ersten Leitungstyps vorhanden ist, die niedriger ist, als die Dotierung der Feldstoppzone 20. An die Feldstoppzone 20 schließt sich in dem Ausführungsbeispiel eine Kollektorzone oder Drainzone 32 des zweiten Leitungstyps an, auf die eine Anschlusselektrode 34 aufgebracht ist. Im Bereich der Vorderseite ist wenigstens eine Body-Zone oder Kanalzone 50 in die Driftzone 23 eingebracht, die vom zweiten Leitungstyp ist und in der stark dotierte Zonen 60 des Leitungstyps ausgebildet sind, wobei diese Zonen 60 Emitter-Zonen oder Source-Zonen des IGBT bilden. Diese Source-Zonen 60 sind durch eine Source-Elektrode 62 kontaktiert. Außerdem sind isoliert gegenüber dem Halbleiterkörper und der Elektrode 62 Gate-Elektroden 50 vorhanden, die als Steuerelektroden des IGBT dienen.
  • 11 zeigt ein als Diode ausgebildetes Halbleiterbauelement, das eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Driftzone 23 und eine sich an die Driftzone 23 anschließende Feldstoppzone 20 aufweist. An die Feldstoppzone 20 schließt sich eine Anodenzone 32 des zweiten Leitungstyps an, welche durch eine Elektrode 34 kontaktiert ist. Die Driftzone 32 ist mittels einer Elektrodenschicht 64 kontaktiert, die als Kathodenanschluss der Diode dient, wobei hierbei davon ausgegangen ist, dass die Driftzone 23 und Feldstoppzone 20 n-dotiert und die Anodenzone 32 p-dotiert ist.
  • 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 1 wird davon ausgegangen, dass die Halbleiterschicht 20, in der die Driftzone und die Feldstoppzone hergestellt werden, auf einem Halbleitersubstrat 30 des zweiten Leitungstyps aufgebracht ist. Dieses Halbleitersubstrat kann nach Abschluss der Prozesse zur Herstellung der Driftzone und übriger Halbleiterstrukturen, die beispielsweise zur Erzeugung eines IGBT erforderlich sind, dünn geschliffen werden, um bei einem IGBT eine dünne Kollektorschicht bzw. Drainschicht und bei einer Diode eine dünne Anodenzone zu erreichen.
  • Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, anstelle des in 1 dargestellten Halbleiterkörpers 100 mit einer Halbleiterschicht 20 des ersten Leitungstyps und einer Halbleiterschicht 30 des zweiten Leitungstyps einen Halbleiterkörper bereit zu stellen, der zunächst vollständig eine Grunddotierung des ersten Leitungstyps aufweist, die Driftzone mittels der erläuterten Verfahrensschritte zu erzeugen und abschließend den Halbleiterkörper von der Rückseite her dünn zuschleifen und über die Rückseite Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps zu implantieren, um die Kollektorzone 32 gemäß 10 bzw. die Anodenzone 32 gemäß 11 zu erzeugen.
  • 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.
  • 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.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Driftzone (23) eines ersten Leitungstyps und einer stärker als die Driftzone (23) dotierten und sich an diese anschließende Feldstoppzone (20) des ersten Leitungstyps, das folgende Verfahrensschritte aufweist: –Bereitstellen eines Halbleiterkörpers (100) mit einer Halbleiterschicht (20), die eine Grunddotierung des ersten Leitungstyps, und eine freiliegende Vorderseite (101) aufweist, – Einbringen von Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps über die Vorderseite (101) in einen Driftzonenbereich, der von der Vorderseite (101) bis in eine vorgegebene Tiefe reicht, wobei die Dotierstoffkonzentration der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps so gewählt ist, dass in dem Driftzonenbereich (23) eine Nettodotierung des ersten Leitungstyps verbleibt, und wobei die vorgegebene Tiefe geringer ist als eine Dicke der Halbleiterschicht (20).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps in dem Driftzonenbereich in horizontaler Richtung der Halbleiterschicht (20) wenigstens annäherungsweise gleichmäßig verteilt sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Einbringen der Dotierstoffatome in den Driftzonenbereich ausgehend von der Vorderseite (101) in den Driftzonenbereich folgende Verfahrensschritte umfasst: – Implantieren von Dotierstoffatomen mit unterschiedlichen Implantationsenergien in die Halbleiterschicht (20) über die Vorderseite (101), wobei die Vorderseite (101) gleichmäßig mit Dotierstoffatomen bestrahlt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem mehrere aufeinanderfolgende Implantationsschritte durchgeführt werden, wobei sich die einzelnen Implantationsschritte in der verwendeten Implantationsenergie unterscheiden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps mit einer vorgegebenen Energie in Richtung der Vorderseite (101) der Halbleiterschicht gestrahlt werden, wobei vor der Vorderseite (101) ein Energiefilter (200) mit variabler Dämpfung angeordnet wird, dessen Dämpfung örtlich bezogen auf gegebene Bereiche der Vorderseite und/oder zeitlich variiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dosis der eingebrachten Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps so gewählt ist, dass die Konzentration der Dotierstoffatome des zweiten Leistungstyps ab einer vorgegebenen Tiefe ausgehend von der Vorderseite mit zunehmender Tiefe abnimmt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem sich an den Diffusionsschritt ein weiterer Implantationsschritt anschließt, bei dem Dotierstoffatome in einen Bereich an einem der Vorderseite abgewandten unteren Ende des Driftzonenbereiches implantiert werden.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Dotierstoffkonzentration an Dotierstoffatomen des ersten Leistungstyps in der Halbleiterschicht (20) vor dem Einbringen der Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps zwischen 1015 cm–3 und 1016 cm–3 beträgt.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem während der Implantation in der Halbleiterschicht (20) beabstandete Bereiche (22) mit Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps erzeugt werden, wobei die Dotierstoffkonzentra tion dieser Dotierstoffatome des zweiten Leistungstyps zwischen 1014 cm–3 und 1017 cm–3 beträgt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschicht (20) des ersten Leitungstyps auf einer Halbleiterschicht (30) des zweiten Leitungstyps aufgebracht ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps beabstandet zu dem Driftzonenbereich in die Halbleiterschicht (20) implantiert werden, um eine Zone (30) des zweiten Leitungstyps zu erzeugen.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps mit einer Dosis die niedriger ist als die der in den Driftzonenbereich implantierten Dotierstoffatome in einen Feldstoppzonenbereich unterhalb des Driftzonenbereiches implantiert werden.
  13. Halbleiterbauelement mit einer dotierten Driftzone (23) und einer sich an die Driftzone anschließenden dotierten Feldstoppzone (20), wobei die Feldstoppzone (20) Dotierstoffatome eines ersten Leitungstyps umfasst und die Driftzone (23) Dotierstoffatome des ersten Leitungstyps und Dotierstoffatome eines zweiten, zu dem ersten Leitungstyps komplementären Leitungstyps umfasst, wobei die Dotierstoffatome des zweiten Leitungstyps gleichmäßig in der Driftzone (23) verteilt sind und die Dotierstoffkonzentrationen der Dotierstoffatome des ersten und zweiten Leitungstyps in der Driftzone (23) so gewählt sind, dass eine Nettodotierung des ersten Leitungstyps vorhanden ist, und wobei die Feldstoppzone eine höhere Nettodotierung an Dotierstoffatomen des ersten Leitungstyps als die Driftzone (23) aufweist.
  14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem die Dotierstoffkonzentration an Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps in einem Übergangsbereich von der Driftzone (23) zu der Feldstoppzone (20) stetig abnimmt.
  15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, bei dem die Dotierstoffkonzentration an Dotierstoffatomen des zweiten Leitungstyps in einem Übergangsbereich von der Uriftzone (23) zu der Feldstoppzone (20) abrupt abnimmt.
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