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Die
Erfindung betrifft die Herstellung vertikaler Hochvolttransistoren
und insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung von tiefen dotierten
Säulenbereichen
in Halbleiterwafern sowie eine hierdurch hergestellte Trenchtransistoranordnung.
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Neuartige
vertikale Hochvoltsiliziumbauelemente mit einer Spannungsfestigkeit über 300
V benötigen
in der Epitaxiedriftzone vertikale, säulenartige, fein strukturierte
Dotiergebiete. Diese so genannten Kompensationsbauelemente erreichen
eine Reduktion des Einschaltwiderstandes um bis zu einer Größenordnung.
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Produkte
dieser Art werden derzeit von der Anmelderin unter der markenrechtlich
geschützten Bezeichnung
CoolMOS® hergestellt
und vertrieben. Die Weiterentwicklung und Verbesserung derartiger Kompensationsbauelemente
wird bei der Anmelderin kontinuierlich vorangetrieben. Insbesondere
der in Punkto Maschinenbelastung, Waferdurchlaufzeit und Kosten
aufwändige
Fertigungsprozess "Aufbautechnik" soll verbessert
bzw. durch andere effizientere Prozesse oder Fertigungstechnologien
ersetzt werden, um den Durchsatz zu erhöhen und um die Produktkosten
zu senken. Unter dem Begriff "Aufbautechnik" versteht man eine
mehrmalige Abfolge der Prozesssequenz: maskierte (niederenergetische)
Implantation und Abscheidung einer Epitaxieschicht.
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In
jüngster
Zeit zielen neuartige Ideen im Wesentlichen auf eine Vereinfachung
bzw. auf einen alternativen Fertigungsablauf ab. So gibt es bereits konkrete Überlegungen,
die mit hochenergetischer Protonenbestrahlung im Silizium einhergehende
Bildung von Eigendefektkomplexen zur n-Dotierung zu verwenden. Protonenstrahlung
hat die Eigenschaft auch bei relativ niedrigen Energien tief in
Silizium einzudringen (zum Beispiel bei 1,7 MeV in eine Tiefe von 36 μm). Im Bereich
des "End-of-Range" von Protonenimplantationen
entstehen Eigendefekte des Siliziums, die zusammen mit dem implantierten
Wasserstoff Eigendefektkomplexe bilden. Wie zahlreiche in der Vergangenheit
durchgeführte
Experimente zeigen, verhalten sich diese Defektkomplexe wie n-Dotanten.
Die Dotiereffekte verschwinden allerdings bei Temperaturen über 600°C. Diese
Temperaturgrenze sollte jedoch hoch genug sein, um die thermische Stabilität von mit
einem derartigen Verfahren hergestellten Produkten sicherzustellen.
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Der
Prozessablauf zur Herstellung eines Kompensationsbauelements, zum
Beispiel eines CoolMOS®-Transistors, würde so aussehen,
dass eine p-dotierte Epitaxie auf dem Wafersubstrat abgeschieden
wird. Die bei einem n-Kanaltransistor leitenden n-Gebiete werden
durch die Protonenbestrahlung in den p-Gebieten durch Gegendotierung erzeugt.
Bei dieser Art der Hochenergieimplantation besteht allerdings ein
wesentliches Problem darin, die nicht zu implantierenden Bereiche
mit ausreichender Genauigkeit zu maskieren.
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Eine
Maskierung bei sehr hochenergetischen Ionenstrahlen (unabhängig davon,
ob der Ionenstrahl direkt oder indirekt dotierend wirkt) kann im Grunde
auf zwei verschiedene Weisen erfolgen:
- (a)
Durch eine fest mit dem Wafer verbundene, einmalig verwendbare Maskierung,
wie etwa durch eine Lackmaske oder eine Hartmaske aus SiO2. Für
die hier diskutierten Ionenreichweiten, die bei einem 600 V-Bauelement
die Dotierung in einer Tiefe von ca. 35 μm erzeugen müssen, ist eine Dicke der Lackmaske
von ca. 50 μm
erforderlich oder eine Dicke der Hartmaske aus SiO2 von ca.
40 μm.
- (b) Durch eine wieder verwendbare Stencilmaske, das heißt durch
eine Schablonenmaske. Die Dicke dieser Stencilmaske muss so beschaffen sein,
dass 40 μm
Eindringtiefe maskiert werden können.
Derzeit werden Stencilmasken aus Silizium auf Waferbasis gefertigt
und entweder mit dem Wafer durch einen Klebstoff reversibel verbunden
oder im Strahlengang des Ionenstrahls positioniert.
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Das
oben beschriebene Verfahren (a) ist sowohl für hochenergetische Protonenimplantation
als auch für
direkte Borimplantation aus technischen Gründen (kritisches CD-Maß im Bereich
von wenigen Mikrometern) und auch aus Kostengründen keine praktisch realisierbare
Möglichkeit.
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Das
Verfahren (b) wird derzeit für
sehr hochenergetische Borimplantationen (direkte Dotierung) erforscht.
Für die
indirekte Implantation von Protonen ist dieses Verfahren, wenn man
die bei der Borimplantation vorteilhafte Klebetechnik der Stencilmaske voraussetzt,
ebenfalls problematisch, da die Protonenimplantation sehr spät im Prozessablauf
durchgeführt
werden muss. Aus Gründen
der begrenzten thermischen Stabilität der erzeugten Komplexe dürfen nach
der Erzeugung der Defektkomplexe keine Diffusionen oder sonstigen
Prozesse bei erhöhten Temperaturen
mehr stattfinden. Somit ergibt sich bei Verwendung der Klebetechnik
das Problem, die Maske auf den Devicewafer und die bereits produzierten Strukturen
zu justieren. Würde
dagegen die Hochenergieimplantation bereits zu Beginn des Waferprozesses
stattfinden, könnte
die Justage sehr einfach realisiert werden (vgl.
DE 10006523 A1 bzw. WO 2001/61735
A2 Im vorliegenden Fall wird man jedoch um den Einbau einer auf
Submikrometer genauen Justiereinrichtung entweder in eine Maschine
zum Waferbonden oder in den Hochenergieimplanter nicht herumkommen.
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Bei
einem in
US 5,426,059 beschriebenen Verfahren
zur Herstellung von vertikal gestapelten bipolaren Halbleiterstrukturen
wird eine vertikale Abfolge von abwechselnd n- und p-dotierten Epitaxieschichten
jeweils durch eine Phosphorimplantation und eine Borimplantation
erzeugt. Die einmal vorgenommene Dotierung dieser Epitaxieschichten
wird aber nicht nachträglich
noch durch eine Hochenergieimplantation geändert.
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WO
1997/36328 beschreibt eine annähernd konforme
Abbildung einer vorhandenen Oberflächentopologie durch ein gegebenes
Implantationsprofil.
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DE 199 07 201 A1 beschreibt
die Herstellung eines vertikalen MISFET-Transistors, bei dem die
Basisregion tiefer ausgebil det ist als ein in der Basisregion gebildeter
Graben und unmittelbar unter dem Graben eine Halbleiterregion vom
ersten Leitfähigkeitstyp
gebildet ist, welche eine höhere
Dotierungskonzentration als das Halbleitersubstrat des ersten Leitfähigkeitstyps
aufweist.
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US 6,103,578 beschreibt
ein Verfahren zur Bildung von Diffusionsbereichen jeweils des n-Leitfähigkeitstyps
und des p-Leitfähigkeitstyps
jeweils anschließend
an in einer ersten Oberfläche
eines Halbleiterkörpers
gebildeten tiefen Gräben.
Dabei werden die n- und p-Typ-Diffusionsbereiche von einer Seitenwandfläche eines
jeweiligen tiefen Grabens ausdiffundiert.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das tiefe mit
einem ersten Leitfähigkeitstyp
dotierte Säulenbereiche
in Halbleiterwafern erzeugen und dabei auf eine Maskierung der obigen
Art verzichten kann, sowie ein hierdurch hergestellte Trench-Transistoranordnung
anzugeben.
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Prinzipiell
schlägt
die Erfindung ein Verfahren vor, das dazu geeignet ist, mittels
Hochenergieprotonenimplantation selbstjustiert, das heißt ohne
Verwendung einer Maske während
der Implantation, tiefe mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotierte Säulenbereiche
zu erzeugen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung
von tiefen mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotierten Säulenbereichen
in Halbleiterwafern gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- (A) auf einem Halbleitersubstrat wird eine
erste Epitaxieschicht des ersten Leitfähigkeitstyp abgeschieden und
darin im Bereich der zu bildenden Säule lokal eine Topologiestufe
in Form einer Ausnehmung gebildet;
- (B) über
der ersten Epitaxieschicht wird wenigstens eine zweite Epitaxieschicht
des zweiten Leitfähigkeitstyp
abgeschieden, so dass in den Schritten A und B in lateraler Richtung
parallel zur Waferrückseite
wenigstens zwei Ebenen mit jeweils einer alternierenden Folge und
von Epitaxieschichtabschnitten jeweils des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps
gebildet werden und
- (C) durch eine ganzflächige
Hochenergieimplantation werden in einer durch die entsprechende Wahl
der Implantationsenergie gegebenen Tiefe und in einer durch die
laterale Abmessung der Topologiestufe gegebenen lateralen Weite
im Säulenbereich
die mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp dotierten
Schichtabschnitte in mit dem ersten Leitfähigkeitstyp dotierte Schichtabschnitte
umgewandelt.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
ist das dem ersten Aspekt der Erfindung entsprechende Verfahren
dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt B über der zweiten Expitaxieschicht weitere
Expitaxieschichten jeweils abwechselnd mit dem ersten und zweiten
Leitfähigkeitstyp
so abgeschieden werden, dass im Säulenbereich in vertikaler Richtung
eine alternierende Schichtenfolge aus jeweils mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp
und mit dem ersten Leitfähigkeitstyp
dotierten Expitaxieschichtabschnitten gebildet werden, und dass
in Schritt C die Hochenergieimplantation mit wenigstens zwei unterschiedlichen
Implantationsenergieniveaus so durchgeführt wird, dass der Endbereich
der Implantation eine jeweils gewünschte Ebene der Expitaxieschichten
erreicht.
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Dieses
bevorzugte Verfahren wird dadurch weiter gebildet, dass außerdem die
an dem Säulenbereich
seitlich unmittelbar angrenzenden Epischichtabschnitte der Schichtfolge
im Schritt C in mit dem ersten Leitfähigkeitstyp hoch dotierte Abschnitte umgewandelt
werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung
von tiefen mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotierten Säulenbereichen
in Halbleiterwafern durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- (A) auf einem Halbleitersubstrat werden übereinander
wenigstens zwei alternierend jeweils mit dem ersten und einem zweiten
Leitfähigkeitstyp dotierte
Epitaxieschichten abgeschieden;
- (B) in oder auf der obersten Epitaxieschicht wird eine Topologiestufe
gebildet, und
- (C) durch eine ganzflächige
Hochenergieimplantation werden in einer durch entsprechende Wahl der
Implantationsenergie gegebenen Tiefe und in einer durch die laterale
Abmessung der Topologiestufe gegebenen lateralen Weite im Säulenbereich
die mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp
dotierten Schichtabschnitte in mit dem ersten Leitfähigkeitstyp
dotierte Schichtabschnitte umgewandelt.
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Dem
zweiten Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass
der dotierende Effekt z. B. bei Protonenimplantation nur im Bereich
des End-of-Range stattfindet, das heißt, durch die Verwendung verschiedener
Implantationsenergien kann die Umwandlung in vertikaler Richtung
auf gewisse Bereiche eingeschränkt
werden. Somit werden bei dieser Ausführungsform, bestimmt durch
die Höhe der
Topologiestufe, unterschiedliche Implantationsenergien jeweils so
gewählt,
dass der Endbereich (End-of-Range) z. B. der Wasserstoffimplantation
z. B. jeweils einen gewünschten
p-Epischichtabschnitt in einer gewünschten Tiefe (Ebene) im Säulenbereich
erreicht.
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Die
laterale Information darüber,
welche Gebiete durch die Hochenergieprotonenimplantation dotiert
werden sollen und welche nicht, kann man, wie erwähnt, ohne
eine Maskierung bei der ersten bevorzugten Ausführungsform mit Hilfe der alternierenden
nicht planaren Folge z. B. von p- und n-dotierten Epischichten festlegen.
Dazu muss man lediglich sicherstellen, dass in jenen Gebieten, in
denen ein zur Oberfläche
durchgehendes n-Gebiet, das heißt der
n-dotierte Säulenbereich
entstehen soll durch Ausnehmungen in der darunter liegenden Ebene
ein p-Gebiet abgeschieden wird.
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Bei
dem dem zweiten Aspekt der Erfindung entsprechenden Verfahren wird
die Topologiestufe im Schritt B auf der Oberfläche der obersten Epitaxieschicht
mit einer strukturierten Abscheidung einer Hartmaske im Säulenbereich
erzeugt, deren Dicke so gewählt
wird, dass sich im Schritt C abhängig
von der Implantationsenergie ein gewünschter vertikal versetzter
Dotierungseffekt ergibt.
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Im
Gegensatz zu dem ersten Aspekt wird bei dem dem zweiten Aspekt entsprechenden
Verfahren nicht die unterste Epitaxieschicht strukturiert und die dadurch
entstehende Stufe als Maskierung benutzt, sondern es werden durchgehende
abwechselnde n- und p-dotierte Schichten abgeschieden. Die für eine Maskierung
notwendige Topologiestufe wird dann nach der Epitaxieabscheidung
auf der Oberfläche des
Wafers durch die strukturierte Hartmaske, zum Beispiel mit einer
Oxidabscheidung (Polsteroxid) erzeugt. Dabei ist darauf zu achten,
dass die Höhe
(Dicke) dieser Stufe so dimensioniert ist, dass sich der gewünschte "vertikal versetzte" Dotierungseffekt
ergibt. Der wichtigste Parameter, der die Stufenhöhe bedingt,
ist die Eindringtiefe von (in diesem Fall) Wasserstoff ins gewählte Material.
Bei der Verwendung von Oxid für
die Topologiestufe auf der Oberseite des Wafers sollte die Stufenhöhe in etwa
der Dicke der abgeschiedenen Epitaxieschichten entsprechen. Diese
Schichtdicken der Epitaxie können
zum Beispiel im Bereich von 4 μm
liegen.
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Die
Vorteile des oben erwähnten
zweiten erfindungsgemäßen Aspekts
sind folgende:
- – es ist keine konforme Epitaxieabscheidung
notwendig;
- – konventionelle
Epitaxieprozesse sind deutlich schneller und besser zu kontrollieren;
- – die
auf der Oberfläche
des Wafers zu bildende Topologiestufe kann durch eine Standardhartmaske
erfolgen und es ist deshalb keine Trenchätzung in Epischichten notwendig;
- – die
Waferoberfläche
ist nach Entfernung der Hartmaske eben, ohne Topologiestufe;
- – die
resultierende n-Säule
ist nicht nach unten verbreitert, das heißt nicht dreieckförmig sondern wirklich
säulenartig.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird als erster Leitfähigkeitstyp
ein n-Typ gewählt,
entsprechend ist der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Typ. Zusätzlich oder
alternativ dazu ist es bei der Hochenergieimplantation vorgesehen,
Phosphor und/oder Wasserstoff zu verwenden.
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Bei
einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen,
das als erster Leitfähigkeitstyp
ein p-Typ gewählt
wird, entsprechend ist dann der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ. Alternativ
oder zusätzlich
ist es dazu vorgesehen, bei der Hochenergieimplantation Bor zu verwenden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich vorzüglich
zur Herstellung von Trenchtransistoranordnungen, die eine tiefe
mit einem ersten Leitfähigkeitstyp
dotierte Säule
unter jedem Transistor haben, die zum größten Teil als Driftzone für diesen
vertikalen Trenchtransistor fungiert. Sourcebereiche und Gatekontakte
sind bei diesem Trenchtransistor auf der Waferoberfläche angeordnet,
so dass ein Trenchtransistor entsteht, der einem vertikalen IGBT ähnlich ist.
Der Kanalbereich mit dem umgebenden Gateoxid ragt von oben in die
Säulenstruktur
hinein, und darunter befindet sich die Driftzone des Trenchtransistors.
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Nach
dem zuletzt Gesagten ist eine einem dritten Aspekt der Erfindung
entsprechende Trenchtransistoranordnung mit einer tiefen mit einem
ersten Leitfähigkeitstyp
dotierten Säule
unter jedem Trenchtransistor dadurch gekennzeichnet, dass der Trenchtransistor
einen von oben vertikal in einen Säulenbereich ragenden Kanalbereich,
der von einem Gateoxid umgeben ist, einen daran anschließenden in
die Tiefe des Säulenbereichs
gehenden Bulkbereich anschließt,
und einen auf einer Waferoberfläche
gebildeten Sourcebereich aufweist, wobei der Säulenbereich aus einer Schichtabfolge
von n und n-dotierten Epitaxieschichten
besteht.
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Allerdings
lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch planare
Transistoren herstellen. Es darf nämlich an dieser Stelle nicht
vergessen werden, dass die Abscheidung vieler Epitaxieschichten
auf die Topografie immer auch eine einebnende Wirkung hat. Das heißt, falls
dies erwünscht
ist, kann sicherlich durch geschickte Wahl von Schichtdicken und
Abscheideparametern eine nahezu planare Oberfläche hergestellt werden und
trotzdem die selbstjustierende Dotierungswirkung durch das erfindungsgemäße Verfahren
erhalten bleiben.
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Das
vorgestellte Prinzip funktioniert auch bei direkter Implantation.
Für ein
600 V-Kompensationsbauelement, das mit wirtschaftlich vertretbaren
Ionenenergien hergestellt wird, gibt es allerdings nur die Möglichkeit
Bor zu implantieren. In diesem Falle ist jedoch nur eine durchgehende
p-Säule
herstellbar. Das heißt,
ein 600 V p-Kanaltransistor ist mit dem hier beschriebenen Verfahren
in Kombination mit direkter Borimplantation herstellbar. Dagegen
ist ein n-Kanaltransistor nur mittels der indirekten Dotierung mit
Wasserstoff machbar.
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Verallgemeinernd
kann gesagt werden, dass der beschriebene selbstjustierende Effekt
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch bei anderen Bauelementen außer bei Kompensationsbauelementen Verwendung
finden kann, da auch bei anderen Prozessen die Notwendigkeit einer
Maskierung wegfällt. Dabei
ist in diesem Zusammenhang die hohe Reichweite von Wasserstoff bei
geringen Energien besonders attraktiv.
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Der
entscheidende Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin,
dass sehr tief reichende n-dotierte Gebiete ohne aufwändige Maskierung
hergestellt werden können.
Alle mit der Maskierung von hochenergetischen Ionen verbundenen
Probleme, wie sie oben erwähnt
wurden, wie etwa die Justage von Sten cilmasken relativ zum Devicewafer,
tauchen bei der vorgeschlagenen Verfahrensweise nicht auf.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass dafür durchgehend
unmodifiziertes Standardequipment zur Anwendung kommen kann. Dieser
Vorteil äußert sich
vor allem in geringen Kosten für
die Produktion von Kompensationsbauelementen mit dem beschriebenen
Verfahren. Im Gegensatz zur Aufbautechnik sind zwischen den Epitaxieschritten
keine Fototechniken etc. notwendig, so dass die Abscheidung der
gesamten Epitaxie in einem Schritt vorgenommen werden kann. Es muss
lediglich nach jeweils einer festgelegten abgeschiedenen Schichtdicke
die Dotierung geändert
werden.
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Die
oben beschriebenen und weitere vorteilhafte Merkmale werden in der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand eines
mit diesem Verfahren hergestellten Trenchtransistors unter Bezugnahme
auf die Zeichnung erläutert.
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Die
Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
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1–4 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
und zwar im Einzelnen,
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1 einen
schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers,
der die erste Trenchätzung
in die erste n-Epischicht und/oder das n-Siliziumsubstrat veranschaulicht;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers
wie 1 zur Veranschaulichung des Aufbaus der Epitaxiezonen
mit alternierenden n- und p-dotierte Epischichten;
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3 anhand
eines schematischen Querschnitts eine in zwei Energiestufen erfolgende
ganzflächige
unmaskierte Wasserstoffhochenergieimplantation in die in 2 gezeigte
Struktur;
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4 die
durch die ganzflächige
Wasserstoffhochenergieimplantation gemäß 3 veränderte Dotierung
der Epitaxieschichten unter Bildung eines tiefen Grabens;
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5 schematisch
einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers mit
einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß den 1 bis 4 gebildeten
Trenchtransistor ähnlich einem
IGBT;
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6A und 6B jeweils
in Draufsicht und im Querschnitt eine schematische Strukturdarstellung
zur Erläuterung
der n-Lastigkeit von mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten
Bauelementen und
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7 und 8 ein
zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines tiefen Grabens in Form eines schematischen
Querschnitts durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers.
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Prinzipiell
geht das erfindungsgemäße Verfahren
von der Erzeugung einer Halbleiterstruktur mit einer Topologiestufe
aus, die dazu geeignet ist, selbstjustiert, das heißt ohne
die Verwendung einer Maske während
der Implantation, mit Hilfe der Wasserstoffhochenergieimplantation
tiefe n-dotierte Säulenstrukturen
zu erzeugen. Wesentlich dabei ist die Tatsache, dass der dotierende
Effekt bei Protonenimplantation nur im Bereich des End-of-Range
stattfindet, das heißt,
dass durch die Verwendung verschiedener Implantationsenergien die
Umwandlung in vertikaler Richtung auf gewisse Bereiche einge schränkt werden
kann. Die laterale Information darüber, welche Gebiete dotiert
werden sollen und welche nicht, wird mit Hilfe einer nicht planaren,
alternierenden Folge von p- und n-dotierten Schichten festgelegt.
Dabei muss lediglich sichergestellt werden, dass in jenen Gebieten,
in denen ein zur Oberfläche
durchgehendes n-Gebiet entstehen soll, das heißt die gewünschte n-dotierte Säule bzw.
der gewünschte
tiefe n-dotierte
Graben in einer Ausnehmung in der darunter liegenden Ebene ein p-Gebiet
abgeschieden wird (erstes Ausführungsbeispiel).
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Anhand
der 1 bis 4, die jeweils schematische
Querschnitte durch einen prozessierten Abschnitt eines Halbleiterwafers
zeigen, wird nachfolgend ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. Die erwähnte
Topologiestufe wird gemäß 1 durch
eine Ausnehmung 17a in einer über einem n-Siliziumsubstrat 10 abgeschiedenen,
mit I bezeichneten, ersten (untersten) Ebene einer n-Epischicht 11a erzeugt.
Selbstverständlich
kann die die Topologiestufe erzeugende Ausnehmung 17a durch
eine Trenchätzung
erfolgen, die auch ein Stück
in die Tiefe des Siliziumsubstrats 10 hineinreichen kann.
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Gemäß 2 werden über der
ersten n-Epischicht 11a in mehreren Schritten abwechselnd
eine p-Epischicht 12, eine weitere n-Epischicht 11b,
eine weitere p-Epischicht 12 und eine weitere n-Epischicht 11b abgeschieden.
Dadurch ergibt sich, verursacht durch die Topologiestufe 17a,
in jeder Epitaxieebene I–IV
eine nicht planare alternierende Abfolge von p- und n–-dotierten
Abschnitten: in der Ebene I in der Abfolge a, b, a, in der Ebene
II in der Abfolge b, a, b usw. Nichtplanarität heißt demgemäß, dass in einer bestimmten
Ebene I–IV
parallel zur Waferrückseite
R, p- und n Abschnitte nebeneinander liegen. Dadurch wird die Lage
der zu erzeugenden (3 und 4) Gebiete
des jeweils anderen Leitungstyps durch die laterale Anordnung von
p- und n-Abschnitten vorgegeben.
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Nun
wird gemäß 3 durch
einen hochenergetischen unmaskierten Protonenstrahl eine Protonenimplantation
ganzflächig
mit zwei Energieniveaus 1, 2 ganzflächig so
durchgeführt,
dass der End-of-Range der Protonenimplantation entsprechend dem
jeweils verwendeten Energielevel innerhalb des gestrichelt eingerahmten
Säulenbereichs
S jeweils in einem p-Abschnitt und außerhalb des Säulenbereichs
S in einem n–-Abschnitt
der jeweiligen Ebene I und III endet. Im rechten Teil der 3 bezeichnen
d die Implantationstiefe und Drel die relative Schädigung,
die der n-Dotierung entspricht. Durch die Protonenimplantation gemäß 3 ergeben
sich folgende Änderung
in der Dotierung:
n– ergibt n+ außerhalb
des Säulenbereichs
S
p ergibt n im Säulenbereich
S (n–bleibt
in den Ebenen II und IV, da hier kein End-of-Range liegt.)
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Das
heißt,
dass man in der Summe im Säulenbereich
S in vertikaler Richtung eine durchgängige n-Dotierung aus n-Abschnitten 15 und
n–-Abschnitten 16 und
außerhalb
des Säulenbereichs
S eine Abfolge von n+-dotierten Abschnitten 11c und p-dotierten
Abschnitten 12 erhält.
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Der
entscheidende Vorteil des beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, dass sehr tief liegende n-dotierte Gebiete (im Säulenbereich
S) ohne aufwändige
Maskierung hergestellt werden können.
Alle im Stand der Technik bei der Maskierung von hochenergetischen
Ionen auftretenden Probleme, zum Beispiel die Justage von Stencilmaske
zu Devicewafer, tauchen bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht
auf. Dadurch können
insbesondere Kompensationsbauelemente mit dem beschriebenen Verfahren kostengünstig hergestellt
werden, da im Gegensatz zur Aufbautechnik zwischen den Epitaxieschritten keine
Fototechniken usw. notwendig sind, so dass die Abscheidung der gesamten
Epitaxie in einem Schritt vorgenommen werden kann. Es muss lediglich jeweils
nach einer festgelegten abgeschiedenen Schichtdicke die Dotierung
geändert
werden.
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Hier
ist noch zu erwähnen,
dass der oben anhand der 2 beschriebene Abscheideprozess eine
möglichst
schlechte Konformität
besitzen sollte, damit wenig Material an den Trenchseitenwänden abgeschieden
wird.
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In
den 2 bis 4 ist im oberen Bereich des
nicht vollständig
verfüllten
Trench- oder Säulenbereichs
S ein Gebiet 13 "void" skizziert, dessen
Bedeutung nachstehend anhand der 5 erläutert wird.
Abhängig
davon, wie sich die Dimensionen dieses Bereiches 13 darstellen,
muss der Transistor oberhalb des Säulenbereichs S auf der Waferoberfläche angeordnet
werden. 5 zeigt einen derartigen Trenchtransistor
mit einem Bodyabschnitt 20, Sourceelektrodenabschnitten 21,
Kontaktlöchern 25,
einem Kanal 22, einem Gateoxid und einer Polysiliziumgateelektrode 23 oberhalb
des durch das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß den 1 bis 4 gebildeten
Säulenbereichs,
der durch die durch die Hochenergie-Protonenimplantation gebildeten
n-Epiabschnitte 15 und 16 dargestellt ist.
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5 zeigt
lediglich ein Beispiel eines derartigen, einem IGBT-Element ähnelnden
Trenchtransistors. Natürlich
können,
wie schon erwähnt,
auch planare Transistoren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
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Vorteilhaft
bei der Herstellung von Transistoren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
sind Streifenzellen, da in letzterem Fall nur das epitaktische Wachstum
an zwei Seitenwänden
kontrolliert werden muss. Dabei stellt sich unter Umständen die Tatsache
als problematisch heraus, dass die mit der beschriebenen Technik
hergestellten Bauelemente alle n-lastig sind.
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Anhand
des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird dem Fachmann deutlich, dass der beschriebene selbstjustierende
Effekt für
die Wasserstoffhochenergieimplantation auch bei anderen Bauelementen
außer
bei Kompensationsbauelementen (zum Beispiel CoolMOS®) Verwendung
finden kann, da auch bei anderen Prozessen die Notwendigkeit einer
Maskierung wegfällt.
Attraktiv ist in diesem Zusammenhang die hohe Reichweite von Wasserstoff bei
geringen Energien.
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Nachstehend
wird bezogen auf die 7 und 8 ein zweites
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
wird hier nicht die unterste Epitaxieebene I strukturiert und die
dadurch entstehende Topologiestufe wie eine Maskierung benutzt, sondern
es werden durchgehend abwechselnde n- und p-dotierte Epischichten 11a, 12a in
der Dotierungsfolge a, b, a, b, a in vertikaler Richtung gemäß den Ebenen
I bis V abgeschieden. Darauf wird dann eine Topologiestufe 17b auf
der Waferoberfläche durch
eine strukturierte, zum Beispiel Oxidabscheidung (Polsteroxid) erzeugt.
Die Höhe
dieser Topologiestufe 17b muss so dimensioniert sein, dass
sich der gewünschte
vertikal versetzte Dotierungseffekt ergibt. Der wichtigste Parameter,
der die Stufenhöhe bedingt,
ist die Eindringtiefe von Wasserstoff in das gewählte Material. Im Falle eines
Polsteroxids für
die Topologiestufe 17b sollte die Stufenhöhe derselben in
etwa der Dicke der abgeschiedenen Epitaxieschichten entsprechen
oder etwas größer sein. Zum
Beispiel können
die Schichtdicken jeder Epitaxieschicht im Bereich von 4 μm liegen.
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Wie
in dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel (vgl. 3)
wird gemäß 8 die Protonenimplantation
ganzflächig
mit zwei Energieniveaus 1 und 2 so durchgeführt, dass
der End-of-Range bei jedem Energieniveau außerhalb des durch die laterale
Weite der Topologiestufe 17b definierten Säulenbereichs
S jeweils in einer n-Epischicht 11a zu liegen kommt. Durch
die Maskierungswirkung der Topologiestufe 17b (der Hartmaske)
kommt unterhalb der Hartmaske, das heißt im zu erzeugenden Säulenbereichs
der End-of-Range jeweils in einen Abschnitt einer p-Epischicht 12a zu
liegen und wandelt die dortige p-Dotierung in eine n–-Dotierung
um (Abschnitte 15), während
die jeweils darüber
und darunter liegenden n-Epiabschnitte 16 unverändert bleiben.
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Bei
dem oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es bezogen
auf die 7 und 8 erläutert wurde,
liegen gegenüber dem
anhand der 1 bis 4 beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel
folgende Vorteile vor:
- – es ist keine konforme Epiabscheidung
notwendig;
- – konventionelle
Epiprozesse sind deutlich schneller und besser zu kontrollieren;
- – die
Topologiestufe 17b kann mittels einer Standardhartmaske
(Polsteroxid) erzeugt werden. Dadurch ist keine Trenchätzung in
Epischichten notwendig;
- – die
Waferoberfläche
ist nach der Entfernung der Topologiestufe 17b eben;
- – die
resultierende n-Säule
ist nicht nach unten verbreitert, also nicht dreieckförmig sondern
wirklich säulenartig.
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Zusammengefasst
beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren
die Verwendung einer Ausgangsstruktur, die mittels der dotierenden
Wirkung einer hochenergetischen Wasserstoffimplantation in eine
Zielstruktur umgewandelt wird, die aus mindestens einer durchgehenden
unter Umständen
vergrabenen Schicht eines Leitungstyp und aus voneinander durch
pn-Übergänge isolierte
Gebiete eines anderen Leitungstyps besteht. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel
besteht diese Ausgangsstruktur aus einer mindestens einstufigen
nicht planaren Abfolge von p- und n-dotierten Schichtabschnitten. Dadurch wird
die Lage der zu erzeugenden isolierten Gebiete des anderen Leitungstyps
(p- Leitung) durch
die von der Nichtplanarität
hervorgerufene laterale Anordnung von p- und n-Abschnitten vorgegeben.
Durch den hochenergetischen unmaskierten Ionenstrahl wird in einer
ausgewählten
Tiefe, die von der eingestellten Implantationsenergie abhängt, eine
durchgehende Schicht des ersten Leitungstyps (n-Leitung) erzeugt.
Abschnitte des anderen Leitungstyps (p-Leitung), die aufgrund der
nicht planaren Schichtfolge der p- und n-Schichten ebenfalls in
der ausgewählten Tiefe
liegen, werden umdotiert und auf diese Weise die gewünschte Zielstruktur
erzeugt.
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Bei
dem zweiten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
bei der Ausgangsstruktur nicht die unterste Epitaxieschicht strukturiert,
die somit nicht als Topologiestufe benutzt wird. Statt dessen werden
in vertikaler Richtung durchgehende abwechselnd n- und p-dotierte
Schichten abgeschieden. Die zur Maskierung notwendige Topologiestufe
(die Stufe 17b) wird dann nach der Epitaxieabscheidung
auf der Oberfläche des
Wafers durch eine strukturierte, zum Beispiel Oxidabscheidung (Polsteroxid)
erzeugt, deren Stufenhöhe
durch die Eindringtiefe von Wasserstoff im gewählten Material bedingt ist.
-
- 1,
2
- Energielevels
der Wasserstoffhochenergieim
-
- plantation
- 10
- Substrat
- 11a,
11b, 11c
- n-dotierte
Epischichtabschnitte
- 12
- p-dotierte
Epischichtabschnitte
- 13
- void
- 15,
16
- n-,
n–-dotierte
Epiabschnitte nach der Was
-
- serstoffhochenergieimplantation
- 20
- Body
eines Trenchtransistors
- 21
- Sourceelektrodenabschnitt
- 22
- Kanalbereich
- 23
- Polysiliziumgate
- 24
- Gateoxid
- 25
- Kontaktloch
- n
- erster
Leitungstyp
- p
- zweiter
Leitungstyp
- R
- Waferrückseite
- S
- Säulenbereich
- I–V
- Ebenen
der Epischichten
- a,
b
- alternierende
n- und p-Abschnitte
- d
- Eindringtiefe
der Wasserstoffhochenergieim
-
- plantation
- Drel
- relative
Schädigung;
entspricht n-Dotierung