DE10361134A1 - Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium und unter Verwendung des Verfahrens hergestellte Halbleiterbauelemente - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium und unter Verwendung des Verfahrens hergestellte Halbleiterbauelemente Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist: Bestrahlen eines n-Substrat-, n-Epitaxieabschnitts oder eines freiliegenden schwach dotierten n-Gebiets eines herzustellenden Halbleiterbauelements mit hochenergetischen Teilchen, deren Energie so gewählt wird, dass nach einer bestimmten Ausheilzeit bei einer bestimmten Ausheiltemperatur nach der Bestrahlung das vorige n-Gebiet zu einem p-Gebiet bis in die gewünschte Tiefe umdotiert ist, sowie dessen Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, z. B. bei der Ausführung einer Trenndiffusion.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium und unter Verwendung des Verfahrens hergestellte Halbleiterbauelemente.
  • Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen entsteht häufig der Wunsch, eine tief in das Halbleiterbauelement hinabreichende p-dotierte Zone zu erzeugen, die man wie eine bislang übliche Trenndiffusion oder auch für spezielle in die Tiefe gelegte Randabschlüsse des pn-Übergangs verwenden kann (siehe z. B. DE 102 40 107.1 A (noch nicht veröffentlicht) der Infineon Technologies AG). Bisher werden solche tief in den Halbleiter hinabreichende Dotierungen entweder durch sehr lang dauernde Diffusionen bei sehr hohen Temperaturen oder durch Kombination einer Trencherzeugung mit einer anschließenden Seitenwanddotierung realisiert.
  • Bei Halbleiterbauelementen, wie IGBTs, Dioden und Thyristoren ist häufig ein Anodenemitter mit geringem Emitterwirkungsgrad gewünscht, der gleichzeitig einen guten ohmschen Kontakt zum Kontaktmetall aufweist und bei dem prozessbedingte Inhomogenitäten, wie z.B. Partikel auf der Scheibenoberfläche während des Ionenimplantationsprozesses, keine nachteiligen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der diesen p-Emitter beinhaltenden Bauelemente zeigen.
  • Ein p-Emitter mit geringem Emitterwirkungsgrad wurde bisher dadurch erzeugt, dass z.B. ein so genannter transparenter Emitter, der sowohl eine relativ geringe Dotierung als auch eine geringe Eindringtiefe des Dotierstoffs aufweist, insbesondere bei IGBTs zum Einsatz kam. Dieser Weg wurde aber auch schon bei Dioden gegangen, wobei dieser Ansatz bei Dioden, bei denen der p-Emitter gleichzeitig den sperrenden pn-Übergang bildet, infolge der fehlenden Möglichkeit einen wirksamen Randabschluss des solchermaßen gebildeten pn-Übergangs zu realisieren, problematisch ist. Insbesondere bei transparenten Emittern können sich durch Partikel, die sich während der Ionenimplantation auf der Scheibenoberfläche befinden, unerwünschte laterale Inhomogenitäten des p-dotierten Emitters einstellen. Um dem abzuhelfen, wurde der so genannte "ana"-(ausgeheilt/nicht ausgeheilt) Emitter vorgeschlagen, der aber zusätzliche Hochtemperaturprozessschritte erfordert.
    •
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium anzugeben, das sehr lange Diffusionen bei sehr hohen Temperaturen oder auch eine Trencherzeugung mit anschließender Seitenwanddotierung vermeidet, und unter Verwendung dieses Verfahrens p-dotierte Emitter mit geringem Emitterwirkungsgrad bei Halbleiterbauelementen so zu erzeugen, dass auch ein guter ohmscher Kontakt zum Kontaktmetall erreicht wird und dass prozessbedingte Inhomogenitäten keine nachteiligen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der diesen p-Emitter bzw. diese Anode beinhaltenden Bauelemente zeigen.
  • Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein die obige Aufgabe lösendes erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass es folgenden Schritt aufweist:
    • – Bestrahlen eines freiliegenden n-Substrat-, n-Epitaxieabschnitts oder schwach dotierten n-Gebiets eines herzustellenden Halbleiterbauelements mit hochenergetischen Teilchen, deren Energie so gewählt wird, dass nach einer bestimmten Ausheilzeit bei einer bestimmten Ausheiltempera tur nach der Bestrahlung das vorige n-Gebiet zu einem p-Gebiet bis in die gewünschte Tiefe umdotiert ist.
  • Die zur Bestrahlung dienenden hochenergetischen Teilchen können Protonen oder Heliumatome oder auch Elektronen sein, wobei das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt Protonenstrahlen verwendet.
  • Bei bestimmten Anwendungen, wie dem Ersatz der Trenndiffusion, ist eine Maskierung nötig, die die zu bestrahlenden Gebiete freilässt.
  • Im Falle einer Protonenbestrahlung wird bevorzugt eine Metallmaske verwendet, die in den Bereichen, in denen die p-Dotierung erzeugt werden soll, stark verdünnt ist, so dass die Protonen beim Durchlaufen dieser verdünnten Abschnitte kaum Energie verlieren. Diese Maske kann aber auch über den zu durchstrahlenden Gebieten vollständig geöffnet sein, wenn die verbleibende Maske aus einem zusammenhängenden, ausreichend stabilen Stück besteht. Im restlichen Bereich des Bauelements ist die Maske so dick, dass die Protonen dort vollständig absorbiert werden. Besonders im Fall der Protonenbestrahlung kann es für die Erzeugung sehr tiefreichender vertikaler p-Gebiete, die für einen Ersatz der Trenndiffusion dienen, vorteilhaft sein, die Energie der Teilchen so hoch zu wählen, dass sie unterhalb der verdünnten Abschnitte der Metallmaske die Siliziumscheibe vollständig durchdringen, das heißt auf der anderen Scheibenseite wieder austreten. Hierdurch wird der aus der Literatur bekannte n-dotierende Effekt der Wasserstoffatome und somit ein negativer Einfluss des Effekts auf die angezielte p-Dotierung vermieden. Wenn allerdings gerade dieser n-dotierende Effekt der Protonen z.B. zur Erzeugung einer Feldstoppzone in einem IGBT, einer Diode oder einem Thyristor oder auch zur Erzeugung eines vertikalen Randabschlusses, bei der sich durch die vertikale Diffusion der Wasserstoffatome während des Temperschrittes in Verbin dung mit der daraus resultierenden, in vertikaler Richtung variierenden wasserstoffinduzierten Donatorkonzentration eine in vertikaler Richtung abnehmende Akzeptorkonzentration ergibt, gewünscht ist, wird man die Energie des Protonenstrahls so wählen, dass der Peak der n-dotierenden Wirkung desselben in einer gewünschten Tiefe des Bauelements liegt.
  • Der wesentliche Vorteil der Verwendung von leichten hochenergetischen Teilchen, insbesondere von Protonen, liegt in der relativ großen Eindringtiefe dieser Teilchen in Silizium. Abhängig von der Beschleunigungsenergie lassen sich bei Protonen Eindringtiefen von bis zu mehreren 100 Mikrometern erzielen, so dass Halbleiterwafer üblicher Dicke komplett durchstrahlt werden können.
  • Die Ausheilzeit für die durch die Protonenbestrahlung bewirkte p-Dotierung beträgt typischerweise 0,5 bis 2 Stunden, während die Ausheiltemperatur typischerweise zwischen 350°C und 450°C liegt. Sie sollte nicht wesentlich niedriger sein, um die durch die Bestrahlung bedingten typischen, die Ladungsträgerlebensdauer reduzierenden Defekte, wie z. B. Leerstellen, Doppelleerstellen und A-Zentren, und somit auch unerwünschte hohe Leckströme in den bestrahlten Bereichen weitgehend zu vermeiden.
  • Die durch die Protonenbestrahlung erzeugten p-dotierten Gebiete können mit der so genannten "Spreading Resistance"-Methode (Streu-Widerstand-Methode) nachgewiesen werden und lassen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit dadurch erklären, dass durch die Bestrahlung Leerstellen im durchstrahlten Bereich erzeugt werden, die sich bei dem anschließenden Ausheilschritt in Komplexe umwandeln, die aus mehreren Leerstellen evtl. in Kombination mit Sauerstoff-, Kohlenstoff- oder Stickstoffatomen bestehen. Diese Komplexe sind als Akzeptoren wirksam und bleiben bis zu Temperaturen von mindestens 450°C stabil.
  • Für den Fall, dass die Scheibe nicht vollständig durchstrahlt wird und somit die Protonen auf der anderen Scheibenseite wieder austreten, ist wichtig, dass die gewählte Ausheiltemperatur nicht zu hoch und die Ausheilzeit nicht zu lang ist, damit eine mögliche Überkompensation der durch die Protonenbestrahlung erzeugten p-Dotierung durch Donatoren weitgehend vermieden wird, die durch die Diffusion von Wasserstoffatomen aus dem sich bei der Bestrahlung im Bereich des so genannten "End of Range" (Bereichsende) bildenden Maximums der Konzentration von Wasserstoffatomen in den durchstrahlten Bereich hinein in Verbindung mit der Bildung von Wasserstoff-Defektkomplexen verursacht werden. Dies gilt dann nicht, wenn diese Dotierung – wie bereits erwähnt wurde – für eine gezielte vertikale Variation der p-Dotierung, beispielsweise für einen Randabschluss, verwendet werden soll.
  • Versuche haben gezeigt, dass sich bei einer Ausheiltemperatur von z. B. 380.C die gewünschte schwach p-dotierte Zone einstellt, während letztere bei stärkeren Temperungen (z. B. bei 450.C) durch die zunehmende Donatorkonzentration im Bereich zwischen Oberfläche und "End of Range" überkompensiert werden kann. Will man die Akzeptorkonzentration weiter steigern, bietet es sich deshalb an, zwar einerseits die Wasserstoffimplantationsdosis zu erhöhen aber andererseits die Ausheiltemperatur abzusenken.
  • Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist insbesondere, dass mittels eines Implantations- und Temperschrittes gleichzeitig die gewünschte Feldstoppzone und auch das angezielte, bestrahlungsbedingte, schwach dotierte p-Gebiet realisiert werden.
  • Alternativ zur Protonenbestrahlung könnte man z.B. auch eine Heliumbestrahlung einsetzen, bei der zwar die bestrahlungsbedingten Akzeptoren entstehen, wobei allerdings keine Donato ren gebildet werden, was im Fall von "Non-Punch-Through"-Bauelementen aber auch nicht nötig wäre.
  • Somit findet sich eine vorteilhafte Verwendung des Verfahrens zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium in der Herstellung eines p-dotierten Emitters mit geringem Emitterwirkungsgrad bei einem IGBT. Bei dieser Verwendung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass einem transparenten p-Emitter des IGBTs durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen von der Rückseite des IGBTs ein tiefes p-dotiertes Gebiet vorgelagert und gleichzeitig in einer durch die Bestrahlungsenergie bestimmten Tiefe des Bauelements eine n-dotierte Feldstoppzone erzeugt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Verwendung des Verfahrens findet sich bei der Herstellung einer Anode einer Diode. Bei dieser Verwendung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Anode durch die Bestrahlung mit den hochenergetischen Protonen von der Anodenseite der Diode gebildet bzw. ein schon vorhandener p-dotierter Emitter verstärkt und gleichzeitig in einer durch die Bestrahlungsenergie bestimmten Tiefe der Diode eine n-dotierte Feldstoppzone erzeugt wird.
  • Eine weitere Verwendung des Verfahrens bietet sich bei der Herstellung einer Anode eines Thyristors an. Bei dieser Verwendung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Anode durch die Bestrahlung mit den hochenergetischen Protonen von der Anodenseite des Thyristors her gebildet bzw. ein schon vorhandener p-dotierter Emitter verstärkt und gleichzeitig in einer durch die Bestrahlungsenergie bestimmten Tiefe des Bauelements eine n-dotierte Feldstoppzone erzeugt wird.
  • Mit der recht schwach n-dotierten Feldstoppzone, die bei der Diode bzw. dem Thyristor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wird, wird das Abschaltverhalten dieser Bauelemente weicher gestaltet bzw. eine ausreichende Sperrfähigkeit ermöglicht.
  • Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, an einem weitgehend fertig prozessierten CoolMOS®-Bauelement (CoolMOS® ist eine Marke der Infineon Technologies AG) den Kompensationsgrad durch die bestrahlungsinduzierten Akzeptoren gezielt zu verändern, um z.B. die Sperrfähigkeit zu erhöhen oder das Avalancheverhalten zu verbessern. Im Falle der Anwendung einer Protonenbestrahlung kann die Energie der Protonen so gewählt werden, dass die Protonen auf der Rückseite des Bauelements wieder austreten oder auch in der hoch n-dotierten Drainseite des CoolMOS-Bauelements abstoppen. Hierdurch werden unerwünschte zusätzliche Donatoren im Bereich der Säulenstruktur vermieden.
  • Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale eines erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen werden in der nachfolgenden Beschreibung bezogen auf die Zeichnung näher erläutert.
    •
  • Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
  • 1 grafisch den durch eine Spreading-Resistance-Messung bestimmten Verlauf der Dotierungskonzentration eines p-leitenden Gebiets, das durch das erfindungsgemäße Verfahren durch Umdotierung aus einem n-leitenden Siliziumbereich entstanden ist, wobei eine Halbleiterscheibe zur Gänze mit einem Protonenstrahl durchstrahlt wird;
  • 2 grafisch den Dotierungskonzentrationsverlauf bei einem IGBT-Bauelement, um ein erstes Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines p-dotierten Emitters mit geringem Emitterwirkungsgrad und einer Feldstoppzone in einer gewünschten Tiefe des IGBTs zu veranschaulichen;
  • 3 grafisch den Dotierungskonzentrationsverlauf bei einer Diode, um ein zweites Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Anode und einer Feldstoppzone in einer gewünschten Tiefe der Diode zu zeigen;
  • 4 grafisch den Dotierungskonzentrationsverlauf bei einem Thyristor, um ein drittes Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung einer Anode und einer Feldstoppzone in einer gewünschten Tiefe des Thyristors zu zeigen;
  • 5 in einem schematischen Querschnitt durch ein CoolMOS-Bauelement ein viertes Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gezielten Veränderung des Kompensationsgrads des weitgehend fertig prozessierten CoolMOS-Bauelements und
  • 6 in einem schematischen Querschnitt ein fünftes Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausführung einer Trenndiffusion.
  • Allen nachstehend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten im Silizium hergestellten Halbleiterbauelementen ist eine gezielte, tief in den Halbleiterkörper hineinreichende Kompensation und Umdotierung eines n-leitenden Gebiets in ein p-leitendes Gebiet mittels einer (zwecks lateraler Strukturierung üblicherweise maskierten) Bestrahlung mit hochenergetischen leichten Teilchen, vorzugsweise Protonen oder Heliumionen gemeinsam. Die Be strahlung mit derartigen Teilchen erzeugt akzeptorartige Defekte im Halbleiter.
  • Zunächst wird anhand des in 1 grafisch dargestellten Konzentrationsprofils die grundsätzliche Wirkung einer Bestrahlung einer Siliziumscheibe mit n-Grunddotierung mit hochenergetischen leichten Teilchen gezeigt. In Abszissenrichtung ist die Tiefe d und in Ordinatenrichtung die Dotierungskonzentration N dargestellt. Ein mit H+ bezeichneter Pfeil veranschaulicht die Bestrahlung, z.B. Protonenbestrahlung. Durch eine derartige Bestrahlung wird das vorher n-dotierte Siliziumgebiet bis in eine Tiefe dx in ein p-Gebiet umdotiert. Wenn man die Energie der Teilchen so hoch wählt, dass sie die durch ds dargestellte Dicke der Siliziumscheibe vollständig durchdringen, das heißt auf der anderen Seite der Siliziumscheibe wieder austreten, wird die durch den Wasserstoff bedingte n-Dotierung vermieden. Die durch eine Kombination verschiedener Messverfahren (Spreading Resistance-Verfahren, Scanning-Capacitance-Verfahren, Thermosondenmessung) nachgewiesene p-dotierte Schicht bzw. das p-Gebiet lässt sich mit hoher Wahrscheinlichkeit dadurch erklären, dass durch die Bestrahlung Leerstellen im durchstrahlten Bereich erzeugt werden, die sich bei dem anschließenden Ausheilschritt, der typischerweise bei Temperaturen, die zwischen 380°C und 420°C liegen, über eine Zeitdauer von z.B. einer Stunde durchgeführt wird, in Komplexe umwandeln, die aus mehreren Leerstellen evtl. in Kombination mit Sauerstoff-, Kohlenstoff- oder Stickstoffatmomen bestehen. Diese Komplexe sind als Akzeptoren wirksam und bis zu Temperaturen von mindestens 450°C stabil.
  • In dem mit einem Kreis umrandeten und mit X bezeichneten oberflächennahen Bereich ergibt die Spreading-Resistance-Messung eine Absenkung der durch die Bestrahlung mit den hochenergetischen leichten Teilchen bewirkten p-Dotierung, die durch eine stärkere Defektbildung im oberflächennahen Bereich erklärt werden kann. Für den Fall des Ersatzes einer Trenndiffusion kann es deshalb erforderlich sein, vor der Bestrahlung zusätzlich p-dotierte Gebiete in diesen gestörten Bereich einzudiffundieren, z. B. durch eine B- oder Al-Diffusion, um eine korrekte Potenzialanbindung über diese vertikale p-dotierte Zone zu gewährleisten. Auf der anderen Seite führen die durch diese Defekte verursachten zusätzlichen Grenzflächenzustände zu einer Verbesserung des Kontaktwiderstands zwischen dem Halbleiter und einer darauf abgeschiedenen Metallisierung. Das heißt, hierdurch wird die Ausbildung eines Schottky-Kontakts oder eines hochohmigen Kontakts vermieden.
  • Wird die Energie der Protonen so gewählt, dass die Wasserstoffatome im Siliziumkristall abstoppen, d. h. ein n-dotierter Peak in einer von dieser Energie abhängigen Tiefe entsteht, darf die Ausheiltemperatur aber nicht zu hoch und die Ausheilzeit nicht zu lang sein, damit eine mögliche Überkompensation der bestrahlungsbedingten p-Dotierung durch Donatoren vermieden wird, die durch die Diffusion von Wasserstoffatomen aus dem sich bei der Bestrahlung im Bereich des so genannten "End of Range" bildenden Maximums der Konzentration von Wasserstoffatomen in den durchstrahlten Bereich hinein in Verbindung mit der Bildung von Wasserstoff-Defekt-Komplexen verursacht werden.
  • Das in 1 veranschaulichte erfindungsgemäße Prinzip lässt sich bei der Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente, wie z.B. IGBTs, Dioden, Thyristoren, CoolMOS-Bauelementen und dergleichen verwenden.
  • Eine erste derartige Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Herstellung eines IGBTs ist in 2 veranschaulicht. 2 zeigt wiederum den Dotierungskonzentrationsverlauf und zwar durch den gesamten IGBT, dessen Vorderseite mit V und dessen Rückseite mit R bezeichnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren dient hier dazu, einen p-dotierten Emitter mit geringem Emitterwirkungsgrad zu erzeugen, der gleichzeitig einen guten ohmschen Kontakt aufweist und bei dem prozessbedingte Inhomogenitäten, wie z.B. Partikel auf der Scheibenoberfläche während des Ionenimplantationsprozesses keine nachteiligen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften des diesen p-Emitter beinhaltenden IGBTs zeigen. Es ist zu erwähnen, dass der in 2 dargestellte IGBT einen mit gestrichelter Linie eingezeichneten transparenten Emitter tE auf der Rückseite R aufweist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mittels der durch den Pfeil H+ veranschaulichten Bestrahlung Wasserstoffatome von der Rückseite R des bis dahin fertig prozessierten IGBTs implantiert. Bei geeigneter Wahl der Bestrahlungsenergie entsteht in einer bestimmten Scheibentiefe, z.B. 5 Mikrometer, eine n-dotierte Feldstoppzone FS und bei geeigneter Wahl der Ausheiltemperatur und Ausheilzeit gleichzeitig auch im oberflächennahen Bereich der Scheibe eine dem transparenten Emitter tE vorgelagerte schwach p-dotierte Zone, die gemeinsam einen p-Emitter E ausbilden. Typische Ausheiltemperaturen liegen z.B. zwischen 380°C und 420°C und werden über eine Zeitdauer von z.B. einer Stunde durchgeführt. Die zur Vorderseite V des IGBTs hin befindlichen Gebiete, wie z.B. der p-Body B, werden durch die erfindungsgemäße Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen nicht beeinflusst. Die n+-dotierten Source-Gebiete und das Gate auf der Vorderseite des IGBTs sind zur Vereinfachung nicht eingezeichnet.
  • Die unmittelbar an die Oberfläche der Rückseite R angrenzende Absenkung der p-Dotierung, die aufgrund der bei diesem Beispiel erheblich geringeren Eindringtiefe der Protonen nur in einem extrem geringen Abstand zur Halbleiteroberfläche wirksam ist, wird durch den transparenten Emitter tE mit einer p-Randkonzentration von etwa 2.1017 cm–3 überkompensiert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich, wie 3 zeigt, auch für die Herstellung einer Diode verwenden, bei der durch die von der Erfindung vorgeschlagene Bestrahlung mit Protonen von der Anodenseite A her eine der gewünschten p-Anode, bestehend aus einer p+-Kontaktanhebung und einer bestrahlungsinduzierten p-Schicht, vorgelagerte ebenfalls bestrahlungsinduzierte schwach n-dotierte Feldstoppzone FS entsteht, die das Abschaltverhalten dieser Diode weicher gestaltet. Das zur Kathodenseite K hin liegende Kathodengebiet der Diode bleibt trotz der Bestrahlung unverändert.
  • Ein weiteres Verwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 4 anhand des Gesamtdotierungskonzentrationsverlaufs eines asymmetrischen Thyristorbauelements veranschaulicht. Die von der Anodenseite A des Bauelements durchgeführte und durch den H+-Pfeil veranschaulichte erfindungsgemäße Bestrahlung mit Protonen erzeugt ein unmittelbar an den transparenten Emitter tE anschließendes p-leitendes Gebiet, das gemeinsam mit dem transparenten Emitter tE den p-Emitter E bildet, und ähnlich wie bei der in 3 veranschaulichten Diode eine anschließende Feldstoppzone FS, die durch den n-Peak dargestellt ist. Das zur Kathodenseite K hin folgende Dotierungsprofil der n–-Basis, der p-Basis und der n+-Kathode bleiben trotz der zur Erzeugung des p-Emittergebiets E und der Feldstoppzone FS erfindungsgemäß ausgeführten Bestrahlung unbeeinflusst.
  • Im Falle der in 5 und 6 veranschaulichten nächsten beiden Verwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine mit M bezeichnete Bestrahlungsmaske eingesetzt. In 5 ist ein schematischer Querschnitt durch ein CoolMOS®-Bauelement gezeigt. Die Maske M liegt vorzugsweise auf einer Oberfläche des Bauteils. Das erfindungsgemäße Verfahren wird hier dazu verwendet, an dem weitgehend fertig prozessierten CoolMOS®-Bauelement den Kompensationsgrad durch die durch die Bestrahlung mit hochenergetischen leichten Teilchen induzier ten Akzeptoren gezielt zu verändern, um damit z.B. die Sperrfähigkeit zu erhöhen oder das Avalancheverhalten zu verbessern. Wie schon erwähnt, kann die Energie der Protonenbestrahlung H+ so hoch gewählt werden, dass die Protonen eines gedünnten Maskenbereiches auf der Rückseite des Bauelements wieder austreten, während sie in den dicken Bereichen der Maske vollständig absorbiert werden. Alternativ kann so, wie es in 5 gezeigt ist, der den Donatoreffekt bewirkende n-Peak in der Nähe der oder auch in der hochdotierten n-leitenden Drainseite des CoolMOS-Bauelements liegen. Hierdurch werden unerwünschte zusätzliche Donatoren im Bereich der Säulenstruktur T1, T2, T3, T4 vermieden. Die Bestrahlung kann bei Bedarf aber auch unmaskiert erfolgen, wobei in diesem Fall die Bestrahlungsdosen entsprechend anzupassen sind. Damit kann ein n-Halbleiter/Metallübergang erzeugt werden, der einen geringen Kontaktwiderstand hat.
  • 6 schließlich veranschaulicht die Ausführung einer Alternative zur so genannten Trenndiffusion, bei der mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bestrahlung mit hochenergetischen leichten Teilchen, z. B. Protonen (Pfeil H+), in den von der Maske M nicht abgeschirmten Gebieten eine n-Epitaxieschicht in ein p-Gebiet umdotiert wird. Die Energie der Protonen H+ kann so hoch gewählt werden, dass sie unterhalb des gedünnten Bereichs der Metallmaske M die Siliziumscheibe vollständig durchdringen, so dass der wasserstoffkorrelierte Donatoreneffekt vermieden ist. In den dicken Bereichen der Maske werden die Protonen vollständig absorbiert. Der Vorteil dieser Methode gegenüber der üblichen Trenndiffusion ist, dass die erzeugten p-Gebiete lateral nicht oder fast nicht ausdiffundieren. Statt in einer n-Epitaxieschicht können diese tief in den Halbleiterkristall hineinreichenden p-Gebiete auch lokal in fertig prozessierten Siliziumscheiben, auf denen keine Epitaxieschichten abgeschieden wurden, sondern bei denen die Grunddotierung der n-Basiszone oder n-dotierten Driftzone während der Kristall zucht oder durch das sogenannte "Neutron Transmutation Doping" – Verfahren eingestellt wurde, erzeugt werden.
  • Der wesentliche Vorteil der für das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagenen Verwendung von leichten hochenergetischen Teilchen liegt in der relativ großen Eindringtiefe dieser Teilchen in Silizium. Abhängig von der Beschleunigungsenergie lassen sich z.B. bei Protonen Eindringtiefen von bis zu mehreren 100 Mikrometern erzielen.
  • Die bereits angesprochene Verbesserung des Kontaktwiderstandes durch bestrahlungsbedingte Defekte im Bereich der Grenzfläche zwischen dem p-dotierten Halbleiterkörper und der Metallisierung kann auch zwischen n-dotierten Halbleitergebiet und einer darauf abgeschiedenen Metallschicht zum Tragen kommen.
    • A
    Anode
    B
    Body
    E
    Emitter
    FS
    Feldstopp
    H+
    Protonenbestrahlung
    K
    Kathode
    N
    Dotierungskonzentration
    R
    Rückseite des Bauelements
    T1, T2
    Trench
    tE
    transparenter Emitter
    M
    Maske
    d
    Tiefe, Dicke
    n
    n-Dotierung
    p
    p-Dotierung
    V
    Vorderseite des Bauelements
    NA
    Akzeptorkonzentration
    ND
    Donatorkonzentration
    ds
    Dicke des Halbleiters
    dx
    Dicke des durch Teilchenbestrahlung erzeugten p-
    leitenden Gebietes
    X
    oberflächennaher Bereich mit erhöhter Defekt
    dichte

Claims (13)

  1. Verfahren zur Erzeugung von tiefen p-Gebieten in Silizium, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgenden Schritt aufweist: – Bestrahlen eines freiliegenden n-Substrat-, n-Epitaxieabschnitts oder schwach dotierten n-Gebiets eines herzustellenden Halbleiterbauelements mit hochenergetischen Teilchen, deren Energie so gewählt wird, dass nach einer bestimmten Ausheilzeit bei einer bestimmten Ausheiltemperatur nach der Bestrahlung das vorige n-Gebiet zu einem p-Gebiet bis in die gewünschte Tiefe umdotiert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die hochenergetischen Teilchen Protonen (H+) oder Heliumatome oder Elektronen verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung maskiert ausgeführt wird, wobei die Maske eine Metallmaske (M) ist, die an den Gebieten im Halbleiterbauelement, an denen die Teilchenbestrahlung stattfinden soll, stark verdünnt ist, so dass die Teilchen beim Durchlaufen der verdünnten Abschnitte der Maske (M) kaum Energie verlieren, oder geöffnet ist, und die im restlichen Bereich des Halbleiterbauelements so dick ist, dass die Teilchen vollständig absorbiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Bestrahlung so hoch gewählt wird, dass die Teilchen an den bestrahlten Gebieten die eine Halbleiterscheibe vollständig durchdringen und an der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterscheibe wieder austreten.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausheilzeit typischerweise im Bereich 0,5 bis 2 Stunden und eine Ausheiltemperatur typischerweise zwischen 350°C und 450°C liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt Protonenstrahlen verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einer mit einem Kontaktmetall zu kontaktierenden Oberfläche des bestrahlungsinduzierten p-Gebiets des Bauelements eine Anhebung der Defektkonzentration zur Vermeidung von Schottky-Übergängen oder hochohmigen Kontakten ausgeführt wird, so dass dort ein ohmscher Kontakt mit geringem Kontaktwiderstand zum Kontaktmetall erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anhebung der Leitfähigkeit in einem oberflächennahen Bereich durch vor der Bestrahlung zusätzlich eindiffundierte p-dotierte Gebiete erreicht wird.
  9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung eines p-Emitters mit geringem Emitterwirkungsgrad bei einem IGBT, dadurch gekennzeichnet, dass einem transparenten p-Emitter des IGBT durch die Bestrahlung mit den hochenergetischen Teilchen von der Rückseite des IGBT ein tiefes p-dotiertes Gebiet vorgelagert wird, das gemeinsam mit dem transparenten Emitter (tE) den p-Emitter bildet, und gleichzeitig in einer durch die Bestrahlungsenergie bestimmten Tiefe des Bauelements eine n-dotierte Feldstoppzone (FS) erzeugt wird.
  10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer Anode einer Diode, dadurch gekennzeichnet, dass der p-dotierte Emitter der Diode durch die Bestrahlung mit den hochenergetischen Teilchen in der gewünschten Tiefe verstärkt und gleichzeitig in einer durch die Bestrahlungsenergie bestimmten Tiefe des Bauelements eine n-dotierte Feldstoppzone (FS) erzeugt wird.
  11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer Anode eines Thyristors, dadurch gekennzeichnet, dass der anodenseitige Emitter (E) durch die Bestrahlung mit den hochenergetischen Teilchen von der Anodenseite (A) des Thyristors in der gewünschten Tiefe verstärkt und gleichzeitig in einer durch die Bestrahlungsenergie bestimmten Tiefe des Bauelements eine n-dotierte Feldstoppzone (FS) erzeugt wird.
  12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Erzeugung eines ohmschen Kontakts zwischen einem Kontaktmetall und einem mit hochenergetischen Teilchen bestrahlten Halbleiterbereich.
  13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Variation des Kompensationsgrades in CoolMOS®-Bauelementen zur Einstellung der Durchbruchsspannung.
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