DE10261424B3 - Production of an emitter with a good ohmic contact used in the production of e.g. a diode comprises introducing an emitter into a surface region of a semiconductor body by doping in three steps - Google Patents

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Abstract

Production of an emitter with a good ohmic contact to a metallic contact layer for a semiconductor component comprises introducing an emitter into a surface region of a semiconductor body (10) by doping in three steps, in which the last doping step is ion implantation. The defects formed by ion implantation weaken the emitter degree of action by raising the recombination rate and thus reducing the charge carrier service life and simultaneously deliver a further active doping.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Emitters mit niedrigem Emitterwirkungsgrad und gutem ohmschem Kontakt zu einer metallischen Kontaktschicht für ein Halbleiterbauelement in einem Halbleiterkörper, bei dem der Emitter in einen Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers durch einen Dotierungsvorgang eingebracht wird. Ein derartiges Verfahren ist zum Beispiel aus der DE 196 49 800 A1 bekannt.The present invention relates to a method for producing an emitter with low emitter efficiency and good ohmic contact to a metallic contact layer for a semiconductor component in a semiconductor body, in which the emitter is introduced into a surface area of the semiconductor body by a doping process. Such a method is for example from the DE 196 49 800 A1 known.

Ein insbesondere p-dotierter Emitter mit geringem Emitterwirkungsgrad, also beispielsweise eine mit Bor dotierte Emitterzone, wird bisher als ein so genannter transparenter Emitter erzeugt. Ein transparenter Emitter weist dabei sowohl eine niedrige Dotierungskonzentration als auch eine geringe Eindringtiefe im Halbleiterkörper auf.A p-doped emitter in particular with low emitter efficiency, for example one with boron doped emitter zone, is currently known as a so-called transparent Emitter generated. A transparent emitter has both low doping concentration as well as a low penetration depth in the semiconductor body on.

Die Anwendung eines transparenten Emitters ist für solche Halbleiterbauelemente problematisch, in welchen Löcher über den durch den Emitter gebildeten sperrenden pn-Übergang abfließen müssen. Dies gilt beispielsweise für Dioden, da bei diesen der p-leitende Emitter gleichzeitig den sperrenden pn-Übergang bildet. Ein derart gebildeter pn-Übergang, der dynamisch sicher sperrt, kann nur durch zusätzliche Prozess-Schritte und damit mit einem höheren Aufwand realisiert werden.The application of a transparent Emitters is for such semiconductor devices problematic, in which holes over the must flow through the blocking pn junction formed by the emitter. This applies to, for example Diodes, since the p-type emitter at the same time the blocking pn junction forms. A pn junction formed in this way that is dynamically safe locks can only by additional Process Steps and thus with a higher one Effort can be realized.

Eine andere, aus der DE 196 49 800 A1 bekannte Möglichkeit zur Herstellung eines Emitters mit geringem Wirkungsgrad besteht darin, zunächst einen stärker dotierten Emitter zu erzeugen und diesen dann dadurch zu schwächen, dass beispielsweise mit Hilfe einer Protonen- oder Heliumbestrahlung eine defektreiche Zone erzeugt wird. Diese Zone kann im Emitter selbst gelegen oder diesem vorgelagert sein, wobei die Platzierung der Zone durch entsprechende Auswahl der Bestrahlungsenergie eingestellt wird.Another from which DE 196 49 800 A1 The known possibility of producing an emitter with low efficiency consists in first producing a more doped emitter and then weakening it in that, for example, a defect-rich zone is generated with the help of proton or helium radiation. This zone can be located in the emitter itself or in front of it, the placement of the zone being adjusted by appropriate selection of the radiation energy.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Emitters mit geringem Emitterwirkungsgrad anzugeben, wobei dieser Emitter gleichzeitig einen guten ohmschen Kontakt aufweisen soll.It is an object of the present invention Process for producing an emitter with low emitter efficiency specify, this emitter at the same time a good ohmic Should have contact.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Dotierungsvorgang in wenigstens drei nacheinander ausgeführten Dotierschritten vorgenommen wird, von denen der letzte Dotierschritt eine Ionenimplantation ist, die so ausgeführt wird, dass die durch diese Ionenimplantation gebildeten Defekte durch Erhöhung der Rekombinationsrate und damit Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer einen durch den zweiten Dotierschritt erreichten Emitterwirkungsgrad schwächen und gleichzeitig eine weitere elektrisch aktive Dotierung liefern.This task is done in a process of the type mentioned in the invention solved in that the doping process in at least three successive doping steps of which the last doping step is an ion implantation is that run like that is that the defects formed by this ion implantation by increasing the recombination rate and thus a reduction in the lifetime of the charge carrier an emitter efficiency achieved by the second doping step weaknesses and at the same time provide a further electrically active doping.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft zur Herstellung eines p-leitenden Emitters, also beispielsweise einer mit Bor dotierten Emitterzone. Die Erfindung ist aber in gleicher Weise auch zur Herstellung eines n-dotierten Emitters geeignet.The method according to the invention is special advantageous for producing a p-type emitter, for example an emitter zone doped with boron. However, the invention is the same Way also suitable for producing an n-doped emitter.

Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellter Emitter zeichnet sich durch einen niedrigen Emitterwirkungsgrad aus und weist gleichzeitig einen guten ohmschen Kontakt zu einer beispielsweise aus Aluminium bestehenden Kontaktschicht auf. Dieser Emitter kann eine Raumladungszone sicher abfangen, die sich aufspannt, wenn eine volle Sperrspannung an dem durch den Emitter gebildeten pn-Übergang anliegt und gleichzeitig noch ein hoher Rückstrom fließt. Bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Emitter werden prozessbedingte Inhomogenitäten dieses Emitters, die beispielsweise auf Partikel zurückzuführen sind, welche während des Dotierungsvorgangs auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegen, in ihren Auswirkungen reduziert. Jedenfalls haben diese Inhomogenitäten einen deutlich verringerten nachteilhaften Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen, die einen solchen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Emitter beinhalten.A manufactured by the inventive method Emitter is characterized by a low emitter efficiency and at the same time has good ohmic contact with one for example made of aluminum contact layer. This Emitter can safely intercept a space charge zone that spans when a full reverse voltage at the pn junction formed by the emitter is present and at the same time a high reverse current flows. at that by the inventive method manufactured emitters become process-related inhomogeneities of this Emitters, which can be attributed, for example, to particles which are present during the doping process on the surface of the semiconductor body are reduced in their effects. Anyway have this inhomogeneities a significantly reduced adverse influence on the electrical Properties of components, such, with the inventive method manufactured emitters include.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also der Dotierungsvorgang in wenigstens drei nacheinander ausgeführten Dotierschritten vorgenommen. Dabei können gegebenenfalls auch mehr als drei Dotierschritte ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, einzelne Dotierschritte von diesen wenigstens drei Dotierschritten in verschiedene "Unterschritte" aufzuteilen.In the method according to the invention the doping process will be in at least three consecutive executed Doping steps made. If necessary, more can be done executed as three doping steps become. It is also possible individual doping steps from these at least three doping steps to be divided into different "sub-steps".

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass auch der erste und/oder der zweite Dotierschritt durch Ionenimplantation ausgeführt wird, so dass in zweckmäßiger Weise eine dreistufige Ionenimplantation vorgenommen wird. Zwischen diesen einzelnen Ionenimplantationen werden in vorteilhafter Weise geeignete Temperaturbehandlungen eingeschaltet.An advantageous development of Invention is that the first and / or the second Doping step is carried out by ion implantation, so that in an expedient manner a three-stage ion implantation is carried out. Between these individual ion implantations are advantageously suitable Temperature treatments switched on.

Im Folgenden soll davon ausgegangen werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein p-leitender Emitter erzeugt wird.In the following it is assumed be that with the method according to the invention a p-type Emitter is generated.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem ersten Dotierschritt eine Ionenimplantation mit einer relativ geringen Dosis ausgeführt, welche ungefähr der Durchbruchsladung in einem pleitenden Siliziumgebiet (etwa 2 × 1012 Ladungsträger bzw. Fremdatome cm–2) entspricht. Die durch diese erste Ionenimplantation eingebrachten Ladungsträger werden bis in eine Tiefe von ungefähr 2 bis 10 um mittels einer Temperaturbehandlung eindiffundiert und damit elektrisch aktiviert. Die Dosis für diese erste Implantation kann beispielsweise auf 4 × 1012 Fremdatome cm- 2 Oder niedriger in Silizium eingestellt werden.In an advantageous development of the invention, in the method according to the invention, in the first doping step, an ion implantation is carried out with a relatively low dose, which corresponds approximately to the breakthrough charge in a conductive silicon region (approximately 2 × 10 12 charge carriers or foreign atoms cm −2 ). The charge carriers introduced by this first ion implantation are diffused to a depth of approximately 2 to 10 μm by means of a temperature treatment and are thus electrically activated. The dose for this first implant, for example, cm to 4 x 10 12 impurities - 2 or lower be set in silicon.

Es schließt sich sodann eine zweite Ionenimplantation mit einer deutlich stärkeren Dosis an, die bis zu 1016 Ladungsträger bzw. Fremdatome cm–2 betragen kann. Werden Borionen für diese Implantation verwendet, so werden sie in einer Temperaturbehandlung bis in eine Tiefe von 0,5 bis 2 μm eindiffundiert bzw. nur implantiert und elektrisch aktiviert.A second ion then closes plantation with a much stronger dose, which can be up to 10 16 charge carriers or foreign atoms cm -2 . If boron ions are used for this implantation, they are diffused into a depth of 0.5 to 2 μm in a thermal treatment or only implanted and electrically activated.

Als wesentlicher Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sodann noch eine dritte Ionenimplantation, vorzugsweise mit Borionen, vorgenommen. Diese dritte Ionenimplantation dient dazu, den bereits durch die zweite Ionenimplantation gebildeten Emitter zu schwächen, indem durch diese dritte Ionenimplantation Defekte im durchstrahlten Bereich und im Endbereich dieser Bestrahlung sowie auch im darüber hinausgehenden Bereich gebildet werden. Diese Defekte in dem durch die dritte Ionenimplantation durchstrahlten Bereich des Halbleiterkörpers, im Endbereich dieser Bestrahlung und auch infolge der anschließenden Temperaturbehandlung im darüber hinausgehenden Bereich erhöhen die Rekombinationsrate für Ladungsträger und senken somit deren Lebensdauer und das Injektionsverhalten des Emitters deutlich ab.As an essential step of the method according to the invention then a third ion implantation, preferably with Boron ions. This third ion implantation serves to emitters already formed by the second ion implantation weaknesses, by defects in the irradiated by this third ion implantation Area and in the end area of this radiation as well as beyond Area to be formed. These defects in that due to the third ion implantation irradiated area of the semiconductor body, in the end area of this Irradiation and also as a result of the subsequent temperature treatment in the about that increase the outgoing area the recombination rate for charge carrier and thus reduce their lifespan and the injection behavior of the Emitters significantly.

Abhängig vom gewünschten endgültigen Emitterwirkungsgrad liegen vorteilhafte Dosen für die dritte Ionenimplantation im Bereich zwischen 1011 und 1016 und vorzugsweise zwischen 1012 und 1014 Ionen cm2. Für die Temperaturbehandlung im Anschluss an die dritte Ionenimplantation sind Temperaturen im Bereich zwischen 300°C und 650°C vorteilhaft.Depending on the desired final emitter efficiency, advantageous doses for the third ion implantation lie in the range between 10 11 and 10 16 and preferably between 10 12 and 10 14 ions cm 2 . Temperatures in the range between 300 ° C and 650 ° C are advantageous for the temperature treatment following the third ion implantation.

Derartige Temperaturen sind kompatibel zu Ausheilprozessen von Metallisierungen und Chipabdeckungen. Damit kann die Temperaturbehandlung der dritten Ionenimplantation gemeinsam mit nachfolgenden Prozessschritten erfolgen, zumindest aber sehr spät im Herstellprozess stattfinden.Such temperatures are compatible for the healing processes of metallizations and chip covers. In order to can the temperature treatment of the third ion implantation together with subsequent process steps take place, at least very late in the manufacturing process occur.

Die Reichweite der dritten Ionenimplantation wird sinnvollerweise so tief gewählt, dass der größte Anteil der ersten und zweiten Dotierung durchstrahlt wird. Im Extremfall wird die dritte Implantation soweit vorgetrieben, dass nur noch die Durchbruchsladung im nicht geschädigten, nicht durchstrahlten Bereich liegt. Wird die Implantation bei noch höheren Energien, d.h. mit noch größeren Eindringtiefen gewählt, so führt dies zu unerwünschten, höheren Sperrströmen.The range of the third ion implantation will sensibly chosen so deeply that the largest share the first and second doping is irradiated. In extreme cases the third implantation is advanced so far that only the breakthrough charge in the undamaged, not irradiated Area. If the implantation is carried out at even higher energies, i.e. with yet greater depth of penetration selected so leads this to undesirable higher Reverse currents.

Der Emitterwirkungsgrad der dritten Implantation ist niedriger, als der aktivierten Dotierstoffdosis entspricht, weil die eingebrachten Kristallschäden ihn reduzieren. Für den Abbau eines dynamisch weiter in die Anode greifenden Feldes ist aber die höhere, aktive Dotierstoffmenge relevant. Dadurch ergibt sich ein deutlicher Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der Erzeugung von Kristallschäden mit nichtdotierenden Elementen wie z.B. Helium.The third emitter efficiency Implantation is lower than the activated dopant dose, because the crystal damage brought in reduces it. For dismantling of a dynamically reaching field into the anode is the higher, active dopant amount relevant. This results in a clear one Advantage of this procedure over the Generation of crystal damage with non-doping elements such as Helium.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbaren Ladungsträger-Lebensdauern sind so niedrig, dass im Extremfall nur die durch den ersten Dotierschritt erzielte tiefe Anodendotierung sowie der durch die Ionenimplantation des dritten Dotierschrittes geringe aktivierte Anteil an Ladungsträgern als Anodenemitter wirksam wird. Da nur der Anteil einer p-Dotierung als Emitter wirken kann, der im bei Vorwärtsbetrieb des pn-Überganges nicht überschwemmten Bereich der Anode liegt, wird ein Großteil des ersten Dotierschrittes bei üblichen Überschwemmungsladungsträgerdichten von 1016 Ladungsträger cm-3 als Emitter inaktiv. Somit lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren speziell Anodenemitter mit einem sehr niedrigen Emitterwirkungsgrad erzielen, was zu äußerst günstigen Eigenschaften einer Diode hinsichtlich einer niedrigen Rückstromspitze und geringen Einschaltverlusten eines zugehörigen Schalters bei ausreichender Weichheit (Softness) des Schaltvorganges führt.The charge carrier lifetimes that can be achieved by the method according to the invention are so short that in extreme cases only the deep anode doping achieved by the first doping step and the small proportion of charge carriers activated by the ion implantation of the third doping step are effective as anode emitters. Since only the portion of a p-type doping can act as an emitter, which is not in the area of the anode that is not flooded during forward operation of the pn junction, a large part of the first doping step becomes inactive as an emitter at usual flood charge carrier densities of 10 16 charge carriers cm -3 . Anode emitters with a very low emitter efficiency can thus be achieved by the method according to the invention, which leads to extremely favorable properties of a diode with regard to a low reverse current peak and low switch-on losses of an associated switch with sufficient softness of the switching process.

Der Abstand zwischen der durch die Ionenimplantation des dritten Dotierschrittes gebildeten Defektzone und dem sich durch den ersten Dotierschritt ausgebildeten relativ tiefen pn-Übergang wird so gewählt, dass die sich bei anliegender voller Sperrspannung ausbildende Raumladungszone die Defektzone nicht erreicht, so dass relativ geringe Sperrströme im statischen Fall realisiert werden können.The distance between the through the Ion implantation of the third doping step and relative to that formed by the first doping step deep pn junction is chosen so that the space charge zone that forms when full reverse voltage is present the defect zone is not reached, so that relatively low reverse currents in the static Case can be realized.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens der dritte Dotierschritt durch eine Ionenimplantation vorgenommen. Für den ersten Dotierschritt und den zweiten Dotierschritt werden, worauf bereits hingewiesen wurde, in bevorzugter Weise ebenfalls Ionenimplantationen eingesetzt. Diese Ionenimplantationen können gegebenenfalls jeweils beide oder auch einzeln durch einen anderen Dotiervorgang, beispielsweise eine Belegung ersetzt werden.In the method according to the invention is at least the third doping step by ion implantation performed. For the first doping step and the second doping step are what already was pointed out, preferably also ion implantations used. These ion implantations can optionally both of them or individually by another doping process, for example an occupancy can be replaced.

Da sich bei einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterbauelement wenigstens drei p-dotierte Bereiche, die auf die drei Dotierschritte zurückgehen, überlagern, spielen Partikel, die auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers, also in der Regel der Siliziumoberfläche vorhanden sind und eine ganzflächige Implantation des Anodengebiets während der einzelnen Dotierschritte, wenn diese mit Implantationen vorgenommen werden, verhindern, keine wesentliche Rolle, da es äußerst unwahrscheinlich ist, dass sich diese Partikel bei drei verschiedenen Implantationsschritten, die zeitlich nacheinander vorgenommen werden, an der gleichen Stelle befinden, und da außerdem jede der wenigstens drei Ionenimplantationen eine ausreichende Dosis beinhaltet, damit die implantierten Ionen die Raumladungszone abzufangen vermögen. Für die dynamische Sperrfähigkeit wird zumindest die zweite oder dritte Implantation benötigt. Laterale Inhomoge nitäten in einer durch beispielsweise eine Borimplantation erzeugten p-leitenden Schicht werden auch deshalb reduziert, weil die durch eine Implantation im ersten Dotierschritt eingebrachte und temperaturbehandelte Schicht relativ tief liegt und somit auch Löcher in dieser p-leitenden Schicht durch seitliche Unterdiffusion im Wesentlichen aufgefüllt werden. Dies gilt analog auch für den zweiten Implantationsschritt. Insbesondere die durch den zweiten und dritten Dotierschritt eingebrachten Zonen weisen hohe Dotierstoffkonzentrationen auf und haben genügend Akzeptorladung, um beim Abkommutieren und dem dadurch erhöhten Löcherabfluss die Raumladungszone sicher vor der Anodenmetallisierung auf dem Emitter zu stoppen. Eine dynamisch geringfügig erhöhte Sperrstromdichte ist im Vergleich zur Rückstromdichte unerheblich.Since at least three p-doped regions, which go back to the three doping steps, overlap in a semiconductor component produced by the method according to the invention, particles play which are present on the surface of the semiconductor body, that is to say generally the silicon surface, and a full-surface implantation of the anode region prevent any significant role during the individual doping steps, if these are carried out with implantations, since it is extremely unlikely that these particles will be in the same place in three different implantation steps which are carried out in succession, and because each of them also at least three ion implantations contain a sufficient dose for the implanted ions to intercept the space charge zone. At least the second or third implantation is required for the dynamic locking ability. Lateral inhomogeneities in a p-type layer produced by, for example, a boron implantation are also reduced because the layer introduced and temperature-treated by an implantation in the first doping step is relatively deep and thus holes in this p-type layer are essentially filled by lateral underdiffusion become. This also applies analogously to the second implantation step. In particular, the zones introduced by the second and third doping steps have high dopant concentrations and have enough acceptor charge to reliably stop the space charge zone before anode metallization on the emitter when commutating and the resulting increased hole outflow. A dynamically slightly increased reverse current density is insignificant compared to the reverse current density.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn für die Implantation im dritten Dotierschritt eine Borionen-Hochenergie-Implantation eingesetzt wird, da dann die durch den zweiten Dotierschritt eingebrachte Zone weiter ausdiffundiert und somit eine höhere Fehlertoleranz erzielt werden kann.It is particularly beneficial if for implantation in the third doping step, a boron ion high-energy implantation is used since the one introduced by the second doping step Zone diffuses further and thus achieves a higher fault tolerance can be.

Der Halbleiterkörper besteht in bevorzugter Weise aus Silizium, wobei aber auch andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise SiC, Verbindungshalbleiter usw. möglich sind.The semiconductor body is preferably made made of silicon, but also other semiconductor materials, such as for example SiC, compound semiconductors etc. are possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft dann anwendbar, wenn ein Bauelement hergestellt werden soll, bei dem Löcher über einen sperrenden pn-Übergang abfließen müssen. Bei derartigen Bauelementen kann es sich vorzugsweise um eine Diode, eine Thyristor (GTO) usw. handeln. Weiterhin ist die Erfindung auch bei MOSFETs und bei IGBTs anwendbar, sofern diese als Diode eingesetzt werden. In diesem Fall werden insbesondere günstigere Kommutierungseigenschaften erhalten.The method according to the invention is special can be used advantageously when a component is manufactured with holes over one blocking pn transition flow away have to. Such components can preferably be a diode, act as a thyristor (GTO) etc. Furthermore, the invention is also applicable to MOSFETs and IGBTs if they are used as diodes become. In this case, particularly favorable commutation properties receive.

Der erste Dotierschritt, der vorzugsweise aus einer Implantation besteht, dient primär zur Erzeugung eines statischen Feldstopps. Mit dem zweiten Dotierschritt, der ebenfalls vorzugsweise eine Implantation mit nachfolgender Aktivierung bzw. Diffusion ist, werden ein Kontaktbereich für eine Metallisierung und ein dynamischer Feldstopp geschaffen. Der dritte Dotierschritt, für den eine Ionenimplantation vorgesehen ist, dient zur Einstellung des Emitterwirkungsgrades. Die mit diesem dritten Dotierschritt eingebrachte Dotierung wirkt gleichzeitig dotierend und nicht nur kristallfehlererzeugend.The first doping step, which is preferably consists of an implantation, primarily serves to generate a static field stop. With the second doping step, which is also preferably an implantation with subsequent activation or diffusion, become a contact area for one Metallization and a dynamic field stop created. The third Doping step, for which an ion implantation is provided for adjustment the emitter efficiency. The one with this third doping step The introduced doping has a doping effect and not only crystal defect-generating.

Die einzelnen Dotierschritte und speziell Implantationen können gegebenenfalls jeweils in mehreren Unterschritten ausgeführt werden. Dabei können auch tiefere Zonen eingebracht werden, als dies oben angegeben ist.The individual doping steps and especially implantations if necessary, be carried out in several sub-steps. You can deeper zones than those specified above can also be introduced.

Als Dotierstoffe eignen sich speziell Bor und Aluminium für eine p-Leitung und Phosphor sowie Arsen für eine n-Leitung.Are particularly suitable as dopants Boron and aluminum for ap line and phosphorus and arsenic for an n line.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below the drawings closer explained. Show it:

1 ein Diagramm, in welchem in Abhängigkeit von der Tiefe d von der Oberfläche eines Halbleiterkörpers die Dotierungskonzentration K für die drei Dotierschritte aufgetragen ist, 1 2 shows a diagram in which the doping concentration K for the three doping steps is plotted as a function of the depth d from the surface of a semiconductor body,

2 ein Diagramm, in welchem in Abhängigkeit von der Tiefe d in einem Halbleiterkörper die Ladungsträger-Lebensdauer τ für verschiedene Implantationsdosen aufgetragen ist, 2 1 shows a diagram in which, depending on the depth d in a semiconductor body, the charge carrier lifetime τ is plotted for different implantation doses,

3 einen Schnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbleiterbauelement und 3 a section through a semiconductor device produced by the inventive method and

4 den Dotierstoffverlauf in einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Diode. 4 the course of the dopant in a diode produced by the method according to the invention.

1 zeigt die Dotierungskonzentration K (cm-3) in einem Halbleiterkörper in Abhängigkeit von der Tiefe d (μm) von der Oberfläche dieses Halbleiterkörpers, wobei eine Kurve (1) den durch den ersten Dotierstoff erreichten elektrisch aktiven Dotierungsverlauf, eine Kurve (2) den durch den zweiten Dotierschritt erreichten elektrisch aktiven Dotierungsverlauf, eine Kurve (3a) durch den dritten Dotierschritt, also die Ionenimplantation erreichten Dotierstoffverlauf nach Implantation (totale Dotierstoffverteilung) und eine Kurve (3b) den schließlich elektrisch aktiven Dotierungsverlauf nach der Implantation und einer gegebenenfalls folgenden Temperaturbehandlung bzw. dem dritten Dotierschritt angeben. Hier sind der erste Dotierschritt und der zweite Dotierschritt sowie der dritte Dotierschritt alle durch Ionenimplantation von Bor hergestellt. Die Ausheiltemperatur nach dem dritten Implantationsschritt beträgt dabei zwischen 300°C und 650°C. 1 shows the doping concentration K (cm -3 ) in a semiconductor body as a function of the depth d (μm) from the surface of this semiconductor body, a curve ( 1 ) the electrically active doping curve achieved by the first dopant, a curve ( 2 ) the electrically active doping profile achieved by the second doping step, a curve ( 3a ) by the third doping step, i.e. the ion implantation, the dopant course after implantation (total dopant distribution) and a curve ( 3b ) indicate the finally electrically active doping course after the implantation and a subsequent temperature treatment or the third doping step. Here the first doping step, the second doping step and the third doping step are all produced by ion implantation of boron. The healing temperature after the third implantation step is between 300 ° C and 650 ° C.

Aus der 1 ist ersichtlich, dass die Tiefe des pn-Übergangs bei etwa 4,4 um liegt und die Dotierungskonzentration an der Oberfläche nach der ersten und zweiten Implantation etwa 1019 Ionen cm–3 beträgt. Die Dotierstoffdosis für die dritte Ionenimplantation kann im Bereich zwischen 1011 und 1016 Ionen cm–2 und insbesondere im Bereich zwischen 1012 und 1014 Ionen cm–2 liegen. Die Implantationsenergie für die dritte Implantation ist in 1 mit 300 keV gewählt.From the 1 it can be seen that the depth of the pn junction is about 4.4 µm and the doping concentration on the surface after the first and second implantation is about 10 19 ions cm -3 . The dopant dose for the third ion implantation can be in the range between 10 11 and 10 16 ions cm -2 and in particular in the range between 10 12 and 10 14 ions cm -2 . The implantation energy for the third implantation is in 1 chosen with 300 keV.

2 zeigt in einem weiteren Diagramm die Abhängigkeit der Ladungsträgerlebensdauer τ von der Eindringtiefe d für verschiedene Implantationsdosen, wobei die Energie bei den einzelnen Ionenimplantationen jeweils 45 keV beträgt und nach der Implantation eine Temperung für 30 Minuten bei etwa 350°C in einer N2H2-Atmosphäre vorgenommen wird. Die Kurven (4) bis (8) werden dabei für Implantationsdosen von 1,0 × 1016 cm–2, 1,1 × 1015 cm–2, 5,5 × 1014 cm–2, 1,1 × 101 4 cm–2 und 1,1 × 1013 cm–2 erhalten. Aus der 2 ist zu ersehen, dass die Le bensdauer in größerer Tiefe bis etwa 0,3 μm (vgl. Kurve (4)) mit zunehmender Dosis abnimmt. 2 shows in a further diagram the dependence of the charge carrier lifetime τ on the penetration depth d for different implantation doses, the energy for the individual ion implantations being 45 keV in each case and after the implantation an annealing for 30 minutes at about 350 ° C. in an N 2 H 2 - Atmosphere is made. The curves ( 4 ) to ( 8th ) are used for implantation doses of 1.0 × 10 16 cm -2 , 1.1 × 10 15 cm -2 , 5.5 × 10 14 cm -2 , 1.1 × 10 1 4 cm -2 and 1.1 × 10 13 cm -2 obtained. From the 2 it can be seen that the service life in greater depths up to about 0.3 μm (see curve ( 4 )) decreases with increasing dose.

3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Halbleiterbauelement, nämlich auf der linken Seite hiervon einen IGBT und auf der rechten Seite einen MOSFET. 3 shows a schematic sectional view of a semiconductor component produced by the method according to the invention, namely an IGBT on the left side thereof and a MOSFET on the right side.

In einem n--leitenden Halbleiterkörper 10 aus Silizium befindet sich eine p-leitende Zone 11, in der eine p+-leitende Zone 12 vorgesehen ist. Zwischen der Zone 11 und der Zone 12 liegt eine p-leitende Schädigungs- bzw. Damage-Dotierung 13. Die Zonen 11 und 12 und die Damage-Dotierung 13 stellen einen p-Emitter der Invers-Diode eines MOSFETs oder IGBTs dar, der durch das angegebene Verfahren deutlich günstiger eingestellt werden kann.In an n - type semiconductor body 10 there is a p-type zone made of silicon 11 , in the ap + zone 12 is provided. Between the zone 11 and the zone 12 is a p-type Damage or damage doping 13 , The zones 11 and 12 and the damage endowment 13 represent a p-emitter of the inverse diode of a MOSFET or IGBT, which can be set much more favorably by the specified method.

Die Zone 12 und eine n-leitende Sourcezone 14 sind mit einer beispielsweise aus Aluminium bestehenden Metallisierung 15 kontaktiert. Die Metallisierung 15 verläuft dabei außerhalb des Kontaktloches auf einer beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehenden Isolierschicht 16, in die Gateelektroden 17 aus insbesondere polykristallinem Silizium eingebettet sind.The zone 12 and an n-type source zone 14 are with a metallization consisting, for example, of aluminum 15 contacted. The metallization 15 runs outside the contact hole on an insulating layer consisting of silicon dioxide, for example 16 , into the gate electrodes 17 embedded in particular polycrystalline silicon.

Auf der Rückseite des Halbleiterbauelementes kann noch eine n-dotierte Feldstoppschicht 18 vorgesehen sind, deren Ladung Q über der Durchbruchladung Qbr liegt.An n-doped field stop layer can still be on the back of the semiconductor component 18 are provided, the charge Q is above the breakthrough charge Q br .

Bei dem MOSFET sind auf der Feldstoppschicht noch eine nleitende Schicht 19 und eine n+-leitende Schicht 20 vorgesehen, wobei die Dotierungskonzentration in der Schicht 19 höher sein kann als in der Schicht 18.In the MOSFET there is still a conductive layer on the field stop layer 19 and an n + type layer 20 provided, the doping concentration in the layer 19 can be higher than in the shift 18 ,

Der IGBT weist dagegen auf seiner Rückseite alternierend nleitende Bereiche 21 und p-leitende Bereiche 22 auf der Feldstoppschicht 18 auf. Die Bereiche 21 bilden Kurzschlussbereiche des IGBTs (shorts).The IGBT, on the other hand, has alternating conductive areas on its back 21 and p-type areas 22 on the field stop layer 18 on. The areas 21 form short-circuit areas of the IGBT (shorts).

4 zeigt noch den Verlauf der Dotierungskonzentration für Akzeptoren (NA) bzw. Donatoren (ND) am Beispiel einer 3,3 kV-Diode in Abhängigkeit von der Tiefe d. Die Diode hat hier einen Abstand zwischen ihren Elektroden von ungefähr 370 μm, wobei der pn-Übergang in einer Tiefe von ungefähr 5 μm liegt. Die Akzeptor-Konzentration NA ist als Volllinie aufgetragen, während die Donator-Konzentration ND in Strichlinie angegeben ist. 4 shows the course of the doping concentration for acceptors (N A ) or donors (N D ) using the example of a 3.3 kV diode depending on the depth d. The diode has a distance between its electrodes of approximately 370 μm, the pn junction being at a depth of approximately 5 μm. The acceptor concentration N A is plotted as a full line, while the donor concentration N D is shown in dashed lines.

Ähnlich wie in 1 ist auf der linken Seite von 4 der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Verlauf der Dotierungskonzentration angegeben, wobei die einzelnen Dotierschritte wieder mit (1) für eine erste Implantation, (2) für eine zweite Implantation und (3) für eine dritte Ionenimplantation angegeben sind.Similar to 1 is on the left side of 4 the course of the doping concentration obtained by the method according to the invention is given, the individual doping steps again with ( 1 ) for a first implantation, (2) for a second implantation and ( 3 ) for a third ion implantation.

In einem Feldstoppbereich FS (vgl. auch Schicht 18 in 3) gilt für die Donatorkonzentration NDFS und die Weite WFS dieses Feldstoppbereiches FS die folgende Beziehung: NDFS · WFS ≥ QBr In a field stop area FS (see also shift 18 in 3 ) the following relationship applies to the donor concentration N DFS and the width WFS of this field stop area FS: N DFS · W FS ≥ Q br

Die Durchbruchladung QBr in Silizium beträgt dabei, wie bereits oben angegeben wurde, ungefähr 2 × 1012 Ladungsträger cm-2. Im Feldstoppbereich FS ist die Ladung damit größer als die Durchbruchladung QBr.The breakdown charge Q Br in silicon, as already stated above, is approximately 2 × 10 12 charge carriers cm -2 . In the field stop area FS, the charge is therefore greater than the breakthrough charge Q Br .

Auf der Kathodenseite ist die Dotierungskonzentration an der Oberfläche NOberfläche größer als 1019 Ladungsträger cm–3.On the cathode side, the doping concentration on the surface N surface is greater than 10 19 charge carriers cm -3 .

Aus den 3 und 4 ist das durch die Erfindung erzielte spezielle Merkmal zu ersehen: Es wird nämlich die Damage-Dotierung 13 entsprechend dem dritten Dotierschritt bzw. der Implantation (3) im unteren Bereich der Zone 12 gebildet. Diese Zone 12 entsteht durch den zweiten Dotierschritt (2), während die Zone 11 durch den ersten Dotierschritt (1) erzeugt wird.From the 3 and 4 the special feature achieved by the invention can be seen: namely, the damage doping 13 according to the third doping step or the implantation ( 3 ) in the lower part of the zone 12 educated. This zone 12 arises from the second doping step ( 2 ) while the zone 11 through the first doping step ( 1 ) is produced.

(1)(1)
Kurve für ersten Dotierschritt (elektrisch aktiv)Curve for first Doping step (electrically active)
(2)(2)
Kurve für zweiten Dotierschritt (elektrisch aktiv) Curve for second Doping step (electrically active)
(3a)(3a)
Kurve für dritten Dotierschritt nach Implantation (totale Dotierstoffverteilung) Curve for third Doping step after implantation (total dopant distribution)
(3b)(3b)
Kurve für dritten Dotierschritt nach elektrischer Aktivierung (elektrisch aktive Dotierstoffverteilung)Curve for third Doping step after electrical activation (electrically active dopant distribution)
(3)(3)
Kurve für dritte IonenimplantationCurve for third ion implantation
(4)–(8)(4) - (8)
Kurven für Ladungsträger-Lebensdauer abhängig von Implantationsdosis curves for load carrier life dependent on implantation dose
1010
HalbleiterkörperSemiconductor body
1111
p-Zonep-zone
1212
p-Zonep-zone
1313
Damage-DotierungDamage doping
1414
Sourcezonesource zone
1515
Metallisierungmetallization
1616
Isolierschichtinsulating
1717
Gateelektrodegate electrode
1818
FeldstoppschichtField stop layer
1919
n-leitende Schichtn-type layer
2020
n+-leitende Schichtn + conductive layer
2121
n-leitendes Gebietn-type area
2222
p-leitendes GebietP-type area
FSFS
Feldstoppfield stop
WFS W FS
Weite von Feldstoppschicht 18width from field stop layer 18
NOberfläche N surface
Dotierungskonzentration an Kathodenoberflächedoping concentration on the cathode surface
NA N A
AkeptorkonzentrationAkeptorkonzentration
ND N D
Donatorkonzentrationdonor
KK
Dotierungskonzentrationdoping concentration
dd
Eindringtiefepenetration depth

Claims (14)

Verfahren zum Herstellen eines Emitters mit niedrigem Emitterwirkungsgrad und gutem ohmschem Kontakt zu einer metallischen Kontaktschicht (15) für ein Halbleiterbauelement in einem Halbleiterkörper (10), bei dem der Emitter (1, 2, 3; 11, 12, 13) in einen Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers (10) durch einen Dotierungsvorgang eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Dotierungsvorgang in wenigstens drei nacheinander ausgeführten Dotierschritten ((1), (2), (3)) vorgenommen wird, von denen der letzte Dotierschritt ((3)) eine Ionenimplantation ist, die so ausgeführt wird, dass die durch diese Ionenimplantation gebildeten Defekte (vgl. 13) durch Erhöhung der Rekombinationsrate und damit Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer einen durch den zweiten Dotierschritt ((2)) erreichten Emitterwirkungsgrad schwächen und gleichzeitig eine weitere elektrisch aktive Dotierung liefern.Process for producing an emitter with low emitter efficiency and good ohmic contact with a metallic contact layer ( 15 ) for a semiconductor component in a semiconductor body ( 10 ) where the emitter ( 1 . 2 . 3 ; 11 . 12 . 13 ) in a surface area of the semiconductor body ( 10 ) is introduced by a doping process, characterized in that the doping process is carried out in at least three successive doping steps (( 1 ), ( 2 ), ( 3 )) of which the last doping step (( 3 )) is an ion implantation that is carried out in such a way that the defects formed by this ion implantation (see FIG. 13) by increasing the recombination rate and thus reducing the charge carrier lifespan he through the second doping step (( 2 )) weaken the emitter efficiency achieved and at the same time provide further electrically active doping. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch der erste und/oder der zweite Dotierschritt durch Ionenimplantation vorgenommen werden.A method according to claim 1, characterized in that the first and / or the second doping step by ion implantation be made. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dotierschritten eine Temperaturbehandlung ausgeführt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that that a temperature treatment is carried out between the doping steps. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ionenimplantation des ersten Dotierschrittes mit einer der Durchbruchsladung entsprechenden Dosis vorgenommen wird.A method according to claim 2 or 3, characterized in that an ion implantation of the first doping step with a the dose corresponding to the breakthrough charge is made. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosis auf 4 × 1012 Fremdatome cm2 oder niedriger in Silizium eingestellt wird.A method according to claim 4, characterized in that the dose is set to 4 × 10 12 foreign atoms cm 2 or less in silicon. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den ersten Dotierschritt implantierten Fremdatome in eine Tiefe von etwa 2 μm bis etwa 10 μm diffundiert werden.Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that that the foreign atoms implanted by the first doping step to a depth of about 2 μm up to about 10 μm be diffused. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosis der Ionenimplantation im zweiten Dotierschritt deutlich höher als im ersten Dotierschritt eingestellt wird.Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that that the dose of the ion implantation is clear in the second doping step higher than is set in the first doping step. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosis im dritten Dotierschritt auf etwa 1011 bis 1016, insbesondere 1012 bis 1014 Ionen cm- 2 eingestellt wird.The method of claim 7, characterized in that the dose in the third doping step to about 10 11 to 1016, in particular 10 12 cm to 10 14 ions - is adjusted. 2 Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem dritten Dotierschritt eine Temperaturbehandlung bei 300°C bis 650°C vorgenommen wird.A method according to claim 8, characterized in that after the third doping step, a temperature treatment at 300 ° C to 650 ° C becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosis der zweiten Ionenimplantation ungefähr auf etwa 1011 bis 1016, insbesondere 1012 bis 1014 Ionen cm- 2 eingestellt wird.The method of claims 2 to 9, characterized in that the dose of the second ion implantation cm to about 10 11 to about 10 16, in particular 10 -12 and 10 14 ions after a - is adjusted. 2 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter p-dotiert wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that that the emitter is p-doped. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ionenimplantation Bor verwendet wird.A method according to claim 11, characterized in that for the ion implantation boron is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Ionenimplantation des dritten Dotierschrittes so tief gewählt wird, dass der größte Anteil der mit dem ersten und zweiten Dotierschritt eingebrachten Dotierung durchstrahlt wird.Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that that the penetration depth of the ion implantation of the third doping step chosen so deep is that the largest proportion the doping introduced with the first and second doping step is irradiated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung einer Diode, eines Thyristors (GTO) eines MOSFETs oder eines IGBTs verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that that it is used to manufacture a diode, a thyristor (GTO) MOSFETs or an IGBT is used.
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