DE19731495C2 - Durch Feldeffekt steuerbarer Bipolartransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durch Feldeffekt steuerbaren vertikalen Bipolartransistor und insbesondere die Struktur desselben sowie ein Verfahren zur Herstellung eines durch Feldeffekt steuerbaren vertikalen Bipolartransistors.

Durch Feldeffekt steuerbare vertikale Bipolartransistoren bzw. Isolated Gate Bipolar- (IGBT-) Transistoren haben im Vergleich zu MOS-FETs mehrere Vorteile, da bei ihnen die Leitfähigkeit durch zwei Ladungsträgerarten anstatt nur einer bestimmt wird. Zum Injizieren einer zweiten Ladungsträgerart ist ihr Aufbau gegenüber dem des MGS-FET dahingehend abgewan­ delt, daß sie eine Schicht auf der Rückseite aufweisen, deren Leitungstyp dem der Epitaxieschicht oder des Substrats entge­ gengesetzt ist: über eine Diodenstruktur werden Minoritäts­ träger injiziert, die Schichtfolge des IGBT ist der des Thy­ ristors ähnlich.

IGBTs werden heute im wesentlichen in zwei Formen herge­ stellt, nämlich als punch through- (PT-) und als non-punch through- (NPT-) IGBT. Sie unterscheiden sich in ihrem Aufbau darin, daß beim PT-IGBT zwischen der Rückseite der Halblei­ teranordnung mit dem Kollektor-Anschluß und der Innenzone ei­ ne hochdotierte (Buffer-) Schicht vom gleichen Leitungstyp wie die Innenzone liegt. Diese Schicht dient zur Abschwächung des hochdotierten Rückseiten-Emitters (üblicherweise als "Kollektor" bezeichnet) und wird wie die Innenzone i. a. epi­ taktisch aufwachsen gelassen, wodurch sich die Herstellung deutlich verteuert. Eine solche Schicht baut außerdem im Sperrfall die Feldstärke vor Erreichen der rückseitigen Emit­ ter-Schicht ab und dient somit als "Feldstoppzone". Diese Schicht ist beim NPT-IGBT nach dem Stand der Technik nicht erforderlich, da dieser NPT-IGBT einen genügend schwach inji­ zierenden Rückseitenemitter hat. Beim NPT nach dem Stand der Technik wird ein genügend schwach injizierender Rückseiten- Emitter eingestellt. Um mit dem NPT-IGBT die gleiche Sperr­ spannung zu erreichen wie mit einem PT-IGBT, müssen die NPT- IGBTs dafür regelmäßig mit einer dickeren n^--Schicht als der PT-IGBT versehen werden. Die dickere n^--Schicht hat aber den Nachteil, daß sie zu größeren Durchlaßspannungen, d. h. zu einem größeren Spannungsabfall über den Transistor im durch­ geschalteten Zustand führt. Insgesamt ist der NPT-IGBT aber einfacher aufgebaut und billiger herzustellen. Diese IGBTs und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus EP 0 330 122 bekannt.

In der DE 41 14 349 A1 ist ein Bipolartransistor mit isolier­ tem Gate beschrieben, der benachbart zu einer Drainschicht eine Pufferzone vom entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Die Pufferzone wird durch eine Ioneninjizierung und eine an­ schließende Diffusion erzeugt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen durch Fel­ deffekt steuerbaren Bipolartransistor zu schaffen, der eine geringe Durchlaßspannung bei hoher Sperrspannung hat und ein­ fach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen durch Feldeffekt steuerbaren Bipolartransistor mit dem Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf jeweils vorteilhafte Ausführungsformen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines durch Feldeffekt steuerbaren vertikalen Bipolartransistors, der ei­ ne Innenzone, die von einem ersten Leitungstyp ist, eine an die Innenzone angrenzende erste Zone mit mindestens einem er­ sten Versorgungsanschluß (Emitter) und mindestens einer Steu­ erelektrode (Gate) und eine zweite, an die Innenzone angren­ zende Zone mit einem zweiten Versorgungsanschluß (Kollektor) umfaßt, mit dem Schritt: Aufbau des mindestens einen Versor­ gungsanschlusses und der mindestens einen Steuerelektrode auf einer ersten Seite des Substrats, ist gekennzeichnet durch die Schritte: Erzeugen einer Feldstoppzone mit vorgegebener Dicke von dem ersten Leitungstyp auf der zweiten Seite des Substrats anschließend an die Innenzone und Erzeugen einer Kollektor-Schicht mit vorgegebener Dicke von dem zweiten Lei­ tungstyp anschließend an die Feldstoppzone.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Feldstoppzone durch Implantieren von ersten Ionen in der Innenzone erzeugt, so daß sich in der Innenzone eine Schicht von dem ersten Lei­ tungstyp ergibt. Vorzugsweise liegt die Dotierungskonzentra­ tion bei der Feldstoppzone höher als bei der Innenzone.

Als Alternative zum Erzeugen der Feldstoppzone durch Abschei­ den von dotiertem Polysilizium wird in einer weiteren bevor­ zugten Ausführungsform des Verfahrens die Feldstoppzone als undotiertes Polysilizium auf der Innenzone abgeschieden und nachträglich durch Ionenimplantation dotiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kol­ lektor-Schicht durch Implantieren von zweiten Ionen in der Feldstoppzone erzeugt, so daß sich in der Feldstoppzone eine Schicht von dem zweiten Leitungstyp ergibt.

Als Alternative zum Erzeugen der Kollektor-Schicht durch Ab­ scheiden von dotiertem Polysilizium wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens die Kollektor- Schicht als undotiertes Polysilizium auf der Feldstoppzone abgeschieden und nachträglich durch Ionenimplantation do­ tiert.

Nach einem Implantationsschritt wird der Bipolartransistor vorzugsweise bei einer vorgegebenen Temperatur und während einer vorgegebenen Zeit ausgeheilt.

Das Verfahren wird bei einer bevorzugten Ausführungsform so durchgeführt, daß das Implantieren der Feldstoppzone mit ei­ ner Dosis von im wesentlichen 10¹²/cm² erfolgt und das Implan­ tieren der Kollektor-Schicht mit einer Dosis von mehr als 1012/cm² erfolgt.

Der erfindungsgemäße durch Feldeffekt steuerbare vertikale Bipolartransistor, der eine Innenzone, die von einem ersten Leitungstyp ist, eine an die Innenzone angrenzende erste Zone mit mindestens einem ersten Versorgungsanschluß (Emitter) und mindestens einer Steuerelektrode (Gate) und eine zweite Zone mit einem zweiten Versorgungsanschluß (Kollektor) umfaßt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone eine an der In­ nenzone angrenzende Feldstoppzone und eine an der Feldstopp­ zone angrenzende Kollektor-Schicht umfaßt, wobei die Dicke der Feldstoppzone und die Dicke der Kollektor-Schicht kleiner als 2 µm ist und die Dotierung der Feldstoppzone dem ersten Leitungstyp und die Dotierung der Kollektor-Schicht einem zweiten Leitungstyp entspricht. Vorzugsweise ist die Innenzo­ ne homogen dotiert.

Unter "Transistor" werden im folgenden n- und p- Kanaltransi­ storen sowie depletion- und enhancement- Transistoren ver­ standen, wobei in der Beschreibung hierfür der Begriff "Implanted-Buffer- oder Feldstoppzonen-IGBT" verwendet wird. Das Verfahren ist ohne Einschränkung anwendbar auf die Her­ stellung aller genannten Typen.

Die Erfindung wird zum besseren Verständnis im folgenden un­ ter Angabe von weiteren Vorteilen anhand zeich­ nerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schichtstruktur eines mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren hergestellten Feldstoppzonen-IGBTs.

Fig. 2 zeigt schematisch den Feldverlauf in dem Feldstoppzo­ nen-IGBT.

Fig. 3 zeigt den Dotierungsverlauf in dem erfindungsgemäßen Feldstoppzonen-IGBT.

Die Halbleiterstruktur in Fig. 1 weist ein Halbleitersubstrat auf, das als erst Unterteilung eine erste Zone 1 oben, eine zweite Zone 2 unten und eine Innenzone 3 zwischen erster und zweiter Zone 1 und 2 umfaßt.

In der ersten Zone 1 sind ein Emitter-Bereich 5 und ein Gate 8 angeordnet. Der Emitter-Bereich 5 ist in das Halbleiter­ substrat eingebaut (eindiffundiert oder implantiert) und wird über eine Emitter-Elektrode 4 elektrisch nach außen geführt. Die Emitter-Elektrode 4 besteht dabei im wesentlichen aus ei­ ner Metallschicht, die in Kontakt mit dem Emitter-Bereich 5 steht. Als Kontaktierungsmetall wird dabei vorzugsweise Al verwendet. Das Gate 8 wird als Polysiliziumschicht auf einer Oxidschicht auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden. Durch die Oxidschicht auf dem Halbleitersubstrat wird das Gate 8 gegenüber dem Halbleitersubstrat isoliert. Der Stromfluß in einer Basiszone 9, die durch Implantation oder Diffusion in dem Halbleitersubstrat erzeugt wurde, wird mittels Gate über den Feldeffekt gesteuert. Die Basiszone ist vom entgegenge­ setzten Leitungstyp wie das Halbleitersubstrat: ist das Halb­ leitersubstrat n-dotiert, so ist die Basiszone p-dotiert und man hat in der Basiszone unmittelbar an der Oberfläche des Halbleitersubstrats bei geeigneter Polarität von Gate- und Emitter-Anschluß leitenden Zustand durch einen n-Kanal. Eben­ sogut kann das Halbleitersubstrat p-dotiert sein und der Transistor in der Basiszone 9 im durchgeschalteten Zustand einen p-Kanal ausbilden.

Die durch den Kanal fließenden Ladungsträger fließen durch die Innenzone 3 in dem Halbleitersubstrat in die zweite Zone 2 und werden dort abgesaugt. Die zweite Zone 2 umfaßt mehrere Schichten, wovon eine die Kollektor-Elektrode 6 ist, die ana­ log zu der Emitter-Elektrode im wesentlichen eine Metallisie­ rung der Unterseite des Halbleitersubstrats darstellt. Außer­ dem umfaßt die zweite Zone 2 eine Kollektor-Schicht 7, die eine Halbleiterschicht vom dem Leitungstyp der Innenzone 3 entgegengesetzten Typ ist. Wenn also die Innenzone 3 ein n- dotierter Bereich ist, so ist die Kollektor-Schicht 7 p- dotiert und umgekehrt. Die Kollektor-Schicht 7 dient zur In­ jektion von Minoritätsladungsträgern in die Innenzone 3 und damit zur Erhöhung der Leitfähigkeit im Durchlaßbetrieb des Transistors.

Als dritte Schicht umfaßt die zweite Zone 2 des erfindungsge­ mäßen Bipolartransistors eine Feldstoppzone 10. Beide Schich­ ten 7 und 10 haben eine Dicke zwischen 100 nm und etwa 2 µm, im Gegensatz zu der Dicke der Feldstoppzone beim PT-IGBT von mehreren µm (< 5 µm). Der Leitungstyp der Feldstoppzone 10 ent­ spricht dem der Innenzone 3, die Dotierung ist in der Feld­ stoppzone 10 höher als in der Innenzone 3. Der Verlauf der Dotierung wird im übrigen qualitativ in Fig. 3 dargestellt und wird weiter unten erläutert.

In Fig. 2 ist der Verlauf des elektrischen Feldes in dem Halbleiter bei der erfindungsgemäßen Folge der Schichten qua­ litativ dargestellt. Dabei ist die Tiefe z des Halbleiters, also der Abstand vom Kollektor in Richtung Emitter, vertikal und die Feldstärke E horizontal aufgetragen. Die Feldstärke E hat ihren höchsten Wert in der Innenzone 3 (in Fig. 2 oben). Die Darstellung des Feldverlaufs E in der Innenzone 3 endet dort, wo sich der Übergang der Innenzone 3 zur Basiszone 9 (pn-Übergang) befindet, das Feld erreicht dort auch seinen höchsten Wert. (Die Darstellung ist nicht maßstabsgetreu zu Fig. 1 gezeichnet.) Die Feldstärke E ändert sich in der In­ nenzone 3 vergleichsweise wenig. In der Feldstoppzone 10 da­ gegen fällt sie schnell und erreicht innerhalb der Zone quasi den Wert 0 (nahezu horizontale, zur E-Achse fast parallel verlaufende Linie in Fig. 2). In der Kollektor-Schicht 7, un­ ten in Fig. 2, ist sie quasi konstant auf dem Wert 0. Aus Fig. 2 wird somit deutlich, daß erst dank des Feldabbaus in der Feldstoppzone 10 eine relativ kurze Innenzone 3 für hohe Spannungen zwischen Emitter und Kollektor möglich wird.

In Fig. 3 ist die Dotierung der einzelnen Schichten bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen durch Feldeffekt steu­ erbaren Bipolartransistors (nicht maßstabsgetreu) schematisch entlang einer Linie 11 in Fig. 1 gezeigt. Dabei ist die Koor­ dinate im Halbleiter vom Emitter zum Kollektor auf der hori­ zontalen Achse und die Dotierungskonzentration logarithmisch auf der vertikalen Achse aufgetragen. Der Dotierungsverlauf in der ersten Zone 1 ist im linken Abschnitt 12 gezeigt. Der Dotierungsverlauf der Innenzone 3 ist im mittleren Abschnitt 13 gezeigt.

Der Dotierungsverlauf in der zweiten Zone 2 ist im rechten Abschnitt 14 und 15 gezeigt. Der Abschnitt 14 entspricht der Feldstoppzone 10. Sie wird in einer Ausführungsform durch ei­ ne n-Implantation in dem Halbleiter erzeugt. Als Donator- Atome werden für eine n-Schicht vorzugsweise Phosphor- oder Arsen-Atome verwendet. Die Implantations-Dosis für die Feld­ stoppzone 10 beträgt bei der Herstellung etwa 10¹²/cm².

Die Dosis der Fremdatome (Donatoratome) in der erfindungsge­ mäßen Feldstoppzone 10 ist niedriger als die Dosis der Fremdatome (Akzeptoratome) in der Kollektor-Schicht 7 bzw. im Abschnitt 15 in Fig. 3. Als Akzeptor-Atome werden für eine p- Schicht vorzugsweise Bor-Atome verwendet. Bei Verwendung der Ionen-Implantation können die erforderlichen Konzentrations­ werte vergleichsweise bequem über die Wahl der Dosis einge­ stellt werden. Die Implantations-Dosis für die Kollektor­ schicht 7 beträgt bei der Herstellung mehr als 10¹²/cm².

Statt der Implantation von Akzeptor- oder Donator-Ionen in der Innenzone 3 zur Erzeugung der mehreren Schichten der zweiten Zone 2 wird in einer weiteren bevorzugten Ausfüh­ rungsform des Verfahrens zum Herstellen eines durch Feldef­ fekt steuerbaren Bipolartransistors Polysilizium auf dem Halbleiter abgeschieden und anschließend im Polysilizium Feldstoppzone und Kollektor mit Ionenimplantation erzeugt. Durch das zusätzliche Abscheiden von Polysilizium auf der Kollektorseite erreicht man, daß das monokristalline Halblei­ tersubstrat intakt bleibt. Man hat so eine Doppelschicht auf dem Halbleiter abgeschieden, die z. B. einmal mit Phosphor dotiert ist und einmal mit Bor dotiert ist und ebenfalls eine Dicke von ungefähr 1 µm aufweist.

Die Kollektorschicht oder der Rückseitenemitter wird also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erst relativ spät im Herstel­ lungsprozeß erzeugt und ist nur schwach wirksam. Damit hat der erfindungsgemäße Bipolartransistor die Vorteile des NPT- IGBT, seine Innenzone 3 kann aber deutlich dünner dimensio­ niert werden und ermöglicht damit deutlich reduzierte Durch­ laßspannungen.

Die durch das Implantieren von Atomen entstandenen Damage- Zonen können ausgeheilt werden, wobei das Ausheilen in einer Ausführungsform nur über eine kurze Dauer bei vergleichsweise niedrigeren Temperaturen erfolgt, da bereits die Strukturen mit Versorgungsanschlüssen und Steuerelektrode in der ersten Zone 1 auf einer Seite des Substrates aufgebracht worden sind und nicht durch thermische Belastung zerstört werden dürfen. Die Temperaturen liegen dabei im wesentlichen im Bereich von 305°C bis 500°C und die Dauern zwischen ½ und 1 h.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt das Implantieren noch vor Aufbringen des Versorgungsanschlusses, so daß noch Temperaturen von 800°C bis 1000°C möglich sind.

Die weiteren Schritte zur Verarbeitung und zur Fertigstellung eines durch Feldeffekt steuerbaren Bipolartransistors sind dem Fachmann allgemein bekannt und wurden daher in der Be­ schreibung nicht weiter berücksichtigt.

Claims (8)

1. Durch Feldeffekt steuerbarer vertikaler Bipolartransistor, der eine Innenzone (3), die von einem ersten Leitungstyp ist, eine an die Innenzone (3) angrenzende erste Zone (1) mit min­ destens einem ersten Versorgungsanschluß (4) und mindestens einer Steuerelektrode (8) und eine zweite Zone (2) mit einem zweiten Versorgungsanschluß (6) umfaßt, wobei die zweite Zone eine an der Innenzone (3) angrenzende Feld­ stopzone (10) und eine an der Feldstoppzone (10) angrenzende Kollektor-Schicht (7) umfaßt, wobei die Dicke der Feldstopzo­ ne (10) und die Dicke der Kollektor-Schicht (7) jeweils klei­ ner als 2 µm ist und die Dotierung der Feldstoppzone (10) dem ersten Leitungstyp und die Dotierung der Kollektor-Schicht (7) einem zweiten Leitungstyp entspricht.

2. Verfahren zum Herstellen eines durch Feldeffekt steuerba­ ren vertikalen Bipolartransistors gemäß Anspruch 1, mit den Schritten:
Aufbau des mindestens einen Versorgungsanschlusses (4) und der mindestens einen Steuerelektrode (8) auf einer ersten Seite des Substrats;
Implantieren einer Feldstoppzone (10) mit vorgegebener Dicke von dem ersten Leitungstyp auf der zweiten Seite des Substrats anschließend an die Innenzone;
Implantieren einer Kollektor-Schicht (7) mit vorgegebener Dicke von dem zweiten Leitungstyp anschließend an die Feld­ stopzone (10).

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Feldstoppzone (10) durch Implantieren von ersten Ionen in der Innenzone (3) erzeugt wird, so daß sich in der Innenzone (3) eine Schicht von dem ersten Leitungstyp ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Feldstoppzone (10) durch Abscheiden von undotierten Poly­ silizium auf der Innenzone (3) und anschließendes Implantie­ ren von ersten Ionen in der Polysiliziumschicht erzeugt wird, so daß sich auf der Innenzone (3) eine Schicht von dem ersten Leitungstyp ergibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Kollektor-Schicht (7) durch Implantieren von zweiten Io­ nen in der Feldstoppzone (10) erzeugt wird, so daß sich in der Feldstoppzone (10) eine Schicht von dem zweiten Leitungstyp.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Kollektor-Schicht (7) durch Abscheiden von undotierten Polysilizium auf der Feldstoppzone (10) und anschließendes Im­ plantieren von zweiten Ionen in der Polysiliziumschicht er­ zeugt wird, so daß sich auf der Feldstoppzone eine Schicht von dem zweiten Leitungstyp ergibt.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, bei dem nach einem Implantationsschritt der Bipolartransistor bei ei­ ner vorgegebenen Temperatur und während einer vorgegebenen Zeit ausgeheilt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Implantation der Feldstoppzone (10) mit einer Dosis von im wesentlichen 10¹²/cm² erfolgt und die Implantation der Kol­ lektor-Schicht (7) mit einer Dosis von mehr als 10¹²/cm² er­ folgt.