DE202015102716U1 - Halbleitervorrichtung, Siliziumwafer und Siliziumstab - Google Patents

Halbleitervorrichtung, Siliziumwafer und Siliziumstab Download PDF

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Abstract

Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Siliziumhalbleiterkörper (204), der eine Driftzone (205) einer Netto-n-Typ-Dotierung aufweist, wobei eine n-Typ-Dotierung partiell um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert ist, und eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in der Driftzone (205) in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3 ist.

Description

  • HINTERGRUND
  • In Siliziumvorrichtungen, wie Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Dioden, Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFETs), beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) muss eine Anzahl von Anforderungen erfüllt werden. Derartige Anforderungen hängen typischerweise von spezifischen Anwendungsbedingungen ab. Typischerweise müssen Abgleiche zwischen verketteten Eigenschaften, wie beispielsweise einer hohen elektrischen Durchbruchspannung und einem niedrigen Einschaltwiderstand, gefunden werden. Avalanche-Durchbruchereignisse und eine unerwünschte Bildung von Inversionskanälen, beispielsweise an Silizium-Oxid-Zwischenflächen, die während eines Betriebs der Halbleitervorrichtung auftreten können, können einen negativen Einfluss auf Robustheit und Zuverlässigkeit der Vorrichtung haben.
  • Als ein typisches Grundmaterial zum Herstellen einer Vielzahl von derartigen Halbleitervorrichtungen werden Siliziumwafer verwendet, die durch das Czochralski-(CZ-)Verfahren, beispielsweise durch das Standard-CZ-Verfahren oder durch das magnetische CZ-(MCZ-)Verfahren oder durch das kontinuierliche CZ-(CCZ-)Verfahren gewachsen sind. In dem Czochralski-Verfahren wird Silizium in einem Tiegel auf den Schmelzpunkt von Silizium bei ungefähr 1416°C erwärmt, um eine Schmelze von Silizium zu erzeugen. Ein kleiner Siliziumkeimkristall wird in Berührung mit der Schmelze gebracht. Geschmolzenes Silizium erstarrt auf dem Siliziumkeimkristall. Durch langsames Wegziehen des Siliziumkeimkristalls von der Schmelze wird ein kristalliner Siliziumstab bzw. -block bzw. -ingot mit einem Durchmesser in dem Bereich von einem oder einigen 100 mm und einer Länge in dem Bereich von einem Meter oder mehr aufgewachsen bzw. gezogen. In dem MCZ-Verfahren wird zusätzlich ein externes Magnetfeld angelegt, um einen Sauerstoffverunreinigungspegel zu reduzieren.
  • Das Aufwachsen von Silizium mit definierter Dotierung durch das Czochralski-Verfahren wird durch Segregations- bzw. Ausscheidungseffekte kompliziert. Der Segregationskoeffizient eines Dotierstoffmaterials charakterisiert die Beziehung zwischen der Konzentration des Dotierstoffmaterials in dem wachsenden Kristall und derjenigen der Schmelze. Typischerweise haben Dotierstoffmaterialien Segregationskoeffizienten niedriger als Eins, was bedeutet, dass die Löslichkeit des Dotierstoffmaterials in der Schmelze größer ist als in dem Festkörper. Dies führt typischerweise zu einer Steigerung der Dotierungskonzentration in dem Block bzw. Stab bzw. Ingot mit zunehmender Entfernung von dem Keimkristall.
  • Es ist wünschenswert, Robustheit und Zuverlässigkeit von Siliziumhalbleitervorrichtungen zu verbessern. Es ist weiterhin wünschenswert, einen Siliziumstab bzw. Siliziumingot/Siliziumblock sowie einen Wafer als ein Grundmaterial für derartige Siliziumhalbleitervorrichtungen vorzusehen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die obige Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Schutzansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Schutzansprüchen definiert.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Siliziumhalbleiterkörper, der eine Driftzone einer Netto-n-Dotierung umfasst. Eine n-Typ-Dotierung ist teilweise um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert. Eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in der Driftzone liegt in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3.
  • Ein CZ Siliziumstab ist gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Donatoren und Akzeptoren dotiert und weist einen axialen Gradienten der Dotierungskonzentration der Donatoren und Akzeptoren auf. Eine elektrisch aktive Nettodotierungskonzentration, die auf einer Differenz zwischen den Dotierungskonzentrationen der Donatoren und Akzeptoren basiert, schwankt entlang wenigstens 40% einer axialen Länge des CZ Siliziumstabs durch eine partielle Kompensation von wenigstens 20% der Dotierungskonzentration der Donatoren durch die Akzeptoren um weniger als 60%.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Siliziumwafer eine Netto-n-Typ-Dotierung. Die n-Typ-Dotierung ist teilweise um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert. Eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration liegt in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu geben, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiel und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1 veranschaulicht eine schematische Schnittdarstellung eines Siliziumwafers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 2A veranschaulicht eine schematische Schnittdarstellung einer vertikalen Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 2B veranschaulicht eine schematische Schnittdarstellung einer lateralen Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 3 veranschaulicht eine schematische Schnittdarstellung einer Leistungshalbleiterdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 4 veranschaulicht eine schematische Schnittdarstellung eines Leistungshalbleiter-IGBT gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 5 ist ein schematisches Prozessdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumwafers veranschaulicht.
  • 6 ist eine schematische Schnittdarstellung eines CZ-Wachstumssystems zum Ausführen des in 5 veranschaulichten Verfahrens.
  • 7 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Tiegels zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Dotieren des Tiegels mit Dotierstoffmaterial.
  • 8 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines CZ-Wachstumssystems zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Beifügen von Dotierstoffen zu einer Siliziumschmelze in dem Tiegel.
  • 9 ist ein Graph, der eine simulierte Konzentration von nicht-kompensiertem Phosphor längs einer axialen Position eines CZ-gewachsenen Siliziumingots bezüglich verschiedenen Verhältnissen von Bor und Phosphor, die der Siliziumschmelze beigefügt sind, veranschaulicht.
  • 10 ist ein Graph, der einen simulierten spezifischen Widerstand längs einer axialen Position eines CZ-gewachsenen Siliziumingots bezüglich verschiedenen Verhältnissen von Bor und Phosphor, die der Siliziumschmelze beigefügt sind, veranschaulicht.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel dargestellt oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Schutzansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit den entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff "elektrisch verbunden" beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff "elektrisch gekoppelt" umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung angepasst sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorhanden sein können, beispielsweise Elemente, die eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorsehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von "–" oder "+" nächst zu dem Dotierungstyp "n" oder "p". Beispielsweise bedeutet "n–" eine Dotierungskonzentration, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration eines "n"-Dotierungsbereiches, während ein "n+"-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration hat als ein "n"-Dotierungsbereich. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene "n"-Dotierungsbereiche die gleichen oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1 bezieht sich auf eine schematische Schnittdarstellung eines Siliziumwafers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Der Siliziumwafer 100 hat eine Netto-n-Typ-Dotierung. Die Netto-n-Typ-Dotierung ist in dem schematischen Graph durch eine Kurve c1 veranschaulicht, die auf ein Netto-n-Typ-Dotierungskonzentrationsprofil längs einer vertikalen Richtung y zwischen entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 des Siliziumwafers 100 bezogen ist. In dem dargestellten Beispiel entspricht die Kurve c1 der Differenz einer Kurve c2, die ein Profil einer n-Typ-Dotierung längs der vertikalen Richtung y ist, und einer Kurve c3, die ein Profil einer p-Typ-Dotierung längs der vertikalen Richtung y ist. Die n-Typ-Dotierung ist teilweise um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert. Hinsichtlich dem dargestellten Beispiel kann die Kurve c3 zwischen einer niedrigeren Konzentrationsgrenze cL entsprechend 20 % von c2 und einer höheren Konzentrationsgrenze CH entsprechend 80 % von c2 betragen.
  • Jede der Kurven c2 und c3 kann leicht von einem konstanten Pegel aufgrund beispielsweise von Segregationseffekten während eines Czochralski-Kristallwachstums abweichen. Aufgrund von verschiedenen Segregationskoeffizienten für die Kurven c1, c2 kann auch die Kurve c3 leicht von einem konstanten Pegel abweichen, beispielsweise einen kleinen Gradienten in einer vertikalen Richtung zeigen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die n-Typ-Dotierung Phosphor, das teilweise durch Bor als die p-Typ-Dotierung kompensiert ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Netto-n-Typ-Dotierung weiter durch eine p-Typ-Dotierstoffspezies kompensiert, die einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor hat. Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Netto-n-Typ-Dotierung weiterhin durch eine Vielzahl von verschiedenen p-Typ-Dotierstoffspezies kompensiert, die Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor haben. Durch Ausführen einer partiellen Kompensation durch Bor, das einen Segregationskoeffizienten größer als Phosphor hat, und durch eine oder mehrere p-Typ-Dotierstoffspezies, die Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor haben, kann eine effektive Segregation von p-Typ-Dotierstoffen während eines CZ-Wachstums an das Segregationsverhalten von Phosphor angepasst werden. Gallium (Ga) und Aluminium (Al) sind Beispiele von p-Typ-Dotierstoffspezies, die einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor haben.
  • Der Siliziumwafer 100 erlaubt Halbleitervorrichtungen, die eine verbesserte Robustheit und Zuverlässigkeit haben. Beispielsweise kann ein Avalanche-Durchbruch bei hohen Sperrspannungen aufgrund einer reduzierten Trägerbeweglichkeit infolge der p- und n-Typ-Dotierstoffe vermindert werden. Weiterhin können die Phosphor-Anhäufungseffekte und Bor-Verminderungseffekte an den Halbleiter-Oxid-Zwischenflächen, beispielsweise in einem Randabschlussgebiet und/oder in Trenches bzw. Gräben, in einer gesteigerten totalen n-Typ-Dotierung an der Halbleiter/Oxid-Zwischenfläche resultieren, was eine Reduzierung einer unerwünschten Inversionskanalbildung während eines Vorrichtungsbetriebes erlaubt.
  • 2A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer vertikalen Halbleitervorrichtung 2001 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die vertikale Halbleitervorrichtung 2001 umfasst einen Siliziumhalbleiterkörper 204. Der Siliziumhalbleiterkörper 204 kann dem in 1 veranschaulichten Siliziumwafer 100 entsprechen oder Teil des Siliziumwafers 100 sein, beispielsweise ein Chip bzw. eine Die, der bzw. die aus einem Waferzerlegen bzw. -trennen resultiert. Die vertikale Halbleitervorrichtung 2001 umfasst eine Driftzone 205 einer Netto-n-Typ-Dotierung. Eine n-Typ-Dotierung in der Driftzone 205 ist partiell um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert. Die partiell kompensierte Driftzone 205 kann einer Grunddotierung eines Chip-Substratmaterials, wie beispielsweise des in 1 veranschaulichten Siliziumwafers 100, entsprechen. Die sich ergebende n-Typ-Driftzonendotierung c1 kann zwischen 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3 oder zwischen 2 × 1013 cm–3 und 2 × 1014 cm–3 oder zwischen 3 × 1013 cm–3 und 7 × 1013 cm–3 liegen.
  • Die vertikale Halbleitervorrichtung 2001 umfasst eine erste Lastanschlussstruktur 220 an einer ersten Oberfläche 210, beispielsweise einer Vorderfläche des Halbleiterkörpers 204. Die erste Lastanschlussstruktur 220 umfasst einen oder mehrere dotierte Halbleiterbereiche. Der bzw. die dotierten Halbleiterbereiche können durch Dotierungsprozesse des Siliziumhalbleiterkörpers 204 an der ersten Oberfläche 210, beispielsweise durch Diffusions- und/oder Ionenimplantationsprozesse gebildet sein. Der bzw. die dotierten Halbleiterbereiche in dem Halbleiterkörper 204 der ersten Lastanschlussstruktur 220 können dotierte Source- und Bodybereiche eines vertikalen Leistungs-IGFET, beispielsweise eines Superjunction- bzw. Superübergang-FET, oder einen Kollektor eines IGBT oder einen Anoden- oder Kathodenbereich einer vertikalen Leistungshalbleiterdiode als Beispiele umfassen. In dem Lauf eines Prozessierens des Siliziumhalbleiterkörpers 204 an der ersten Oberfläche 210 kann abhängig von der in dem Halbleiterkörper zu bildenden Leistungshalbleitervorrichtung eine Steueranschlussstruktur, wie eine planare Gatestruktur und/oder eine Trench-Gatestruktur einschließlich eines oder mehrerer Gatedielektrika und einer oder mehrerer Gateelektroden gebildet werden.
  • Die vertikale Halbleitervorrichtung 2001 umfasst weiterhin eine zweite Lastanschlussstruktur 225 an einer zweiten Oberfläche 211, beispielsweise einer Rückfläche des Siliziumhalbleiterkörpers 204 entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 210. Die zweite Lastanschlussstruktur 225 umfasst einen oder mehrere dotierte Halbleiterbereiche. Der bzw. die dotierten Halbleiterbereiche können durch Dotierungsprozesse des Siliziumhalbleiterkörpers 204 an der zweiten Oberfläche 211 z.B. durch Diffusions- und/oder Ionenimplantationsprozesse gebildet werden. Der bzw. die dotierten Halbleiterbereiche in dem Siliziumhalbleiterkörper 204 der zweiten Lastanschlussstruktur 225 können einen oder mehrere dotierte Feldstoppbereiche, dotierte Drainbereiche eines vertikalen Leistungs-FET oder einen Emitter eines IGBT oder einen Anoden- oder Kathodenbereich einer vertikalen Leistungshalbleiterdiode als Beispiele umfassen.
  • Ein erster elektrischer Lastkontakt L1 zu der ersten Lastanschlussstruktur 220 und ein elektrischer Steueranschlusskontakt C zu einer Steueranschlussstruktur, falls in der vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung vorhanden, sind Teil(e) eines Verdrahtungsgebietes über bzw. oberhalb von der ersten Oberfläche 210. Ein zweiter elektrischer Lastkontakt L2 zu der zweiten Lastanschlussstruktur 225 ist an der zweiten Oberfläche 211 vorgesehen. Die elektrischen Lastkontakte L1, L2 und der elektrische Steueranschlusskontakt C können aus einer oder einer Vielzahl von gemusterten leitenden Schichten, wie beispielsweise Metallisierungsschichten, die elektrisch durch (eine) dazwischenliegende Zwischenpegel-Dielektrikumschicht(en) isoliert sind, gebildet werden. Kontaktöffnungen in der bzw. den Zwischenpegel-Dielektrikumschichten können mit einem oder mehreren leitenden Materialien gefüllt werden, um einen elektrischen Kontakt zwischen der einen oder der Vielzahl von gemusterten leitenden Schichten und/oder (einem) aktiven Gebiet(en) in dem Siliziumhalbleiterkörper, wie beispielsweise der ersten Lastanschlussstruktur 220 vorzusehen. Die gemusterte(n) leitende(n) Schicht(en) und die Zwischenpegel-Dielektrikumschicht(en) können beispielsweise das Verdrahtungsgebiet oberhalb des Halbleiterkörpers 204 an der ersten Oberfläche 210 bilden. Eine leitende Schicht, z.B. eine Metallisierungsschicht oder ein Metallisierungsschichtstapel, kann als Beispiel an der zweiten Oberfläche 211 vorgesehen sein.
  • In der vertikalen Halbleitervorrichtung 2001 ist eine Stromflussrichtung zwischen den ersten und zweiten Lastanschlusskontakten L1, L2 längs einer vertikalen Richtung zwischen den entgegengesetzten ersten und zweiten Oberflächen 210, 211.
  • 2B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer lateralen Halbleitervorrichtung 2002 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die laterale Halbleitervorrichtung 2002 unterscheidet sich von der vertikalen Halbleitervorrichtung 2001 dadurch, dass die zweite Lastanschlussstruktur 225 und der zweite Kontakt L2 an der ersten Oberfläche 210 gebildet sind. Die ersten und zweiten Lastanschlussstrukturen 220, 225 können gleichzeitig bzw. simultan durch gleiche Prozesse gebildet werden. In ähnlicher Weise können die ersten und zweiten Lastanschlusskontakte L1, L2 gleichzeitig durch gleiche Prozesse gebildet werden.
  • In den in den 2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispielen kann eine Sperrspannungsfähigkeit der vertikalen und lateralen Halbleitervorrichtungen 2001, 2002 durch geeignete Abstände d1, d2 der Driftzone 205 zwischen den ersten und zweiten Lastanschlussstrukturen 220, 225, beispielsweise zwischen einem Bodybereich und einem Drainbereich eines FET, eingestellt werden.
  • 3 ist eine stärker detaillierte schematische Schnittdarstellung eines Beispiels der vertikalen Halbleitervorrichtung 2001, die als eine Leistungshalbleiterdiode 2003 gebildet ist. Die Driftzone 205 ist n–-dotiert, wie dies in Einzelheiten bezüglich der Halbleitervorrichtung 2001 oben beschrieben ist. Ein p-dotierter Anodenbereich 2201 an der ersten Oberfläche 210 ist in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschlusskontakt L1. Der p-dotierte Anodenbereich 2201 ist ein Beispiel eines Elements der in 2A veranschaulichten ersten Lastanschlussstruktur 220. Ein n+-dotierter Kathodenbereich 2251 an der zweiten Oberfläche 211 ist in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Lastanschlusskontakt L2. Der n+-dotierte Kathodenbereich 2251 ist ein Beispiel eines Elements der in 2A veranschaulichten zweiten Lastanschlussstruktur 225.
  • 4 ist eine stärker detaillierte schematische Schnittdarstellung eines Beispiels der vertikalen Halbleitervorrichtung 2001, die als ein Leistungs-IGBT 2004 gebildet ist. Die Driftzone 205 ist n–-dotiert, wie dies in Einzelheiten bezüglich der Halbleitervorrichtung 2001 oben beschrieben ist. Eine Emitterstruktur 2202 an der ersten Oberfläche 210 umfasst einen p-dotierten Bodybereich 2203 und einen n+-dotierten Sourcebereich 2204. Der p-dotierte Bodybereich 2203 und der n+-dotierte Sourcebereich 2204 sind Beispiele von Elementen der in 2A veranschaulichten ersten Lastanschlussstruktur 220. Die Emitterstruktur 2202 ist in elektrischem Kontakt mit dem ersten Lastanschlusskontakt L1. Eine Gatestruktur einschließlich eines Dielektrikums 240 und einer Gateelektrode 241 ist auf dem Halbleiterkörper 205 an der ersten Oberfläche 210 gebildet.
  • Ein IGBT-Kollektor einschließlich eines p+-dotierten Rückseitenemitters 2252 an der zweiten Oberfläche 211 ist in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Lastanschlusskontakt L2. Der p+-dotierte Rückseitenemitter 2252 ist ein Beispiel eines Elements der in 2A veranschaulichten zweiten Lastanschlussstruktur 225.
  • 5 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumwafers.
  • Ein Prozessmerkmal S100 des Verfahrens umfasst ein Ziehen eines n-Typ-Siliziumingots über eine Ziehzeitdauer von einer Siliziumschmelze, die n-Typ-Dotierstoffe umfasst.
  • Ein Prozessmerkmal S110 umfasst ein Beifügen von p-Typ-Dotierstoffen zu der Siliziumschmelze über wenigstens einen Teil der Ziehzeitdauer, um dadurch eine n-Typ-Dotierung in dem n-Typ-Siliziumingot um 20 % bis 80 % zu kompensieren.
  • Ein Prozessmerkmal S120 umfasst ein Scheibenschneiden des Siliziumingots.
  • Beispielsweise liegt eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in dem Siliziumingot in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3 ist, oder in einem Bereich von 2 × 1013 cm–3 bis 2 × 1014 cm–3.
  • Beispielsweise sind ein Segregationskoeffizient einer n-Typ-Dotierstoffspezies der n-Typ-Dotierstoffe und ein Segregationskoeffizient einer p-Typ-Dotierstoffspezies der p-Typ-Dotierstoffe um wenigstens einen Faktor von drei verschieden.
  • Beispielsweise entspricht die n-Typ-Dotierstoffspezies Phosphor und die p-Typ-Dotierstoffspezies entspricht Bor.
  • Das Verfahren umfasst beispielsweise zusätzlich zum Beigeben von Bor ein Beigeben einer zweiten p-Typ-Dotierstoffspezies zu der Siliziumschmelze über wenigstens einen Teil der Ziehzeitdauer, wobei die zweite p-Typ-Dotierstoffspezies einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor hat.
  • Die zweite p-Typ-Dotierstoffspezies entspricht beispielsweise wenigstens einer Spezies aus Aluminium und Gallium.
  • Beispielsweise wird das Bor der Siliziumschmelze aus einem mit Bor dotiertem Quarzmaterial und/oder aus einer Gasphase beigefügt.
  • Beispielsweise wird das Bor der Siliziumschmelze von einem Borcarbid- oder einem Bornitridquellenmaterial beigefügt.
  • Beispielsweise wird das Bor der Siliziumschmelze von einem mit Bor dotierten Tiegel beigefügt.
  • Der mit Bor dotierte Tiegel wird beispielsweise durch wenigstens eine Methode aus einem Implantieren von Bor in den Tiegel, Diffusion von Bor in den Tiegel und in-situ-Dotierung gebildet.
  • Beispielsweise wird das Bor in dem Tiegel bei verschiedenen Energien und Dosen implantiert.
  • Beispielsweise kann ein thermisches Budget auf den Tiegel durch Erwärmen einwirken, das gestaltet ist, um ein retrogrades Profil des Bors in dem Tiegel einzustellen.
  • Auch kann eine Schicht an Innenwänden des Tiegels gebildet werden.
  • Beispielsweise wird eine Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze geändert.
  • Das Ändern der Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze umfasst beispielsweise ein Ändern von wenigstens einem Parameter aus Abmessung, Geometrie und Lieferrate von Partikeln, einem Fluss oder Partialdruck eines Borträgergases.
  • Ein Ändern der Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze umfasst beispielsweise wenigstens eine Größe aus einem Ändern einer Tiefe eines in die Siliziumschmelze getauchten Quellenmaterials und einem Ändern einer Temperatur des Quellenmaterials, wobei das Quellenmaterial mit Bor dotiert ist.
  • Beispielsweise erfolgt ein Dotieren des Quellenmaterials durch eine Methode aus einem in-situ-Dotieren, einem Plasmaabscheidungsprozess durch eine Oberfläche des Quellenmaterials, einer Ionenimplantation durch die Oberfläche des Quellenmaterials und einem Diffusionsprozess durch die Oberfläche des Quellenmaterials.
  • Beispielsweise wird eine Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze durch Messen eines Gewichts des Siliziumingots während des Czochralski-Wachstumsprozesses gesteuert.
  • Beispielsweise wird eine Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze durch optisches Messen einer Änderung in Abmessungen eines mit dem Bor dotierten Quarzquellenmaterials gesteuert.
  • Beispielsweise erfolgt ein Ändern einer Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze durch Ändern wenigstens einer Größe aus einem Kontaktgebiet zwischen einem Quellenmaterial und der Siliziumschmelze und einem Erwärmen des Quellenmaterials.
  • Beispielsweise umfasst ein Zuführen der p-Typ-Dotierstoffe in die Siliziumschmelze ein Auflösen von p-Typ-Dotierstoffen von einem p-Typ-Dotierstoffquellenmaterial in die Siliziumschmelze umfasst.
  • Ein CZ Siliziumstab ist gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Donatoren und Akzeptoren dotiert und weist einen axialen Gradienten der Dotierungskonzentration der Donatoren und Akzeptoren auf. Eine elektrisch aktive Nettodotierungskonzentration, die auf einer Differenz zwischen den Dotierungskonzentrationen der Donatoren und Akzeptoren basiert, schwankt entlang wenigstens 40% einer axialen Länge des CZ Siliziumstabs durch eine partielle Kompensation von wenigstens 20% der Dotierungskonzentration der Donatoren durch die Akzeptoren um weniger als 60%. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen schwankt die elektrisch aktive Nettodotierungskonzentration, die auf einer Differenz zwischen den Dotierungskonzentrationen der Donatoren und Akzeptoren basiert, entlang der wenigstens 40% einer axialen Länge des CZ Siliziumstabs um weniger als 40%, oder um weniger als 30%, oder sogar um weniger als 20%. Anders ausgedrückt schwankt die elektrisch aktive Nettodotierungskonzentration, in Bezug auf einen Mittelwert der elektrisch aktiven Nettodotierungskonzentration entlang wenigstens 40% der axialen Länge des CZ Siliziumstabs, um weniger als +/–30%, oder um weniger als +/–20%, oder um weniger als +/–15%, oder sogar um weniger als +/–10%. Hierzu wird der Segregation der Donatoren, die zu einer starken Schwankung der Nettodotierung entlang der axialen Richtung des CZ Siliziumstabs führt, dadurch entgegengewirkt, dass eine teilweise Kompensation mit Akzeptoren, die ein anderes Segregationsverhalten zeigen, erfolgt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Donatoren wenigstens einen Donator aus Phosphor, Arsen und Antimon auf.
  • Die Akzeptoren umfassen beispielsweise Bor. Zusätzlich können die Akzeptoren Aluminium, Gallium und/oder Indium aufweisen.
  • Beispielsweise liegt eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 3 × 1014 cm–3 ist, oder in einem Bereich von 2 × 1013 cm–3 bis 2 × 1014 cm–3.
  • 6 ist eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines CZ-Wachstumssystems 600 zum Ausführen des in 5 veranschaulichten Verfahrens und zum Herstellen eines CZ Siliziumstabs wie in obigen Ausführungsformen beschrieben.
  • Das CZ-Wachstumssystem 600 umfasst einen Tiegel 605, beispielsweise einen Quarztiegel, auf einem Tiegellager 606, beispielsweise einem Graphitsuszeptor. Eine Heizeinrichtung 607, beispielsweise eine Hochfrequenz-(HF-)Spule, umgibt den Tiegel. Die Heizeinrichtung 607 kann an lateralen Seiten und/oder an einer Bodenseite des Tiegels 605 angeordnet sein. Der Tiegel 605 kann durch eine Lagerwelle 608 gedreht werden.
  • Die Mischung des Siliziummaterials, beispielsweise eines nicht-kristallinem Rohmaterials, wie z.B. Polysilizium, und eines n-Typ-Dotierstoffmaterials, wie beispielsweise Phosphor (P), Antimon (Sb), Arsen (As) oder irgendeine Kombination hiervon wird in dem Tiegel durch Erwärmen mittels der Heizeinrichtung 607 geschmolzen. Das n-Typ-Dotierstoffmaterial kann bereits die anfängliche Dotierung des zu schmelzenden Siliziummaterials bilden oder einen Teil von diesem sein und/oder kann als ein Feststoff- oder ein gasförmiges Dotierstoffquellenmaterial beigefügt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das feste bzw. Feststoff-Dotierstoffquellenmaterial ein Dotierstoffquellenpartikel, wie beispielsweise eine Dotierstoffquellenpille bzw. -tablette. Das Dotierstoffquellenmaterial kann eine vorbestimmte Gestalt haben, wie beispielsweise eine Scheiben- bzw. Tellergestalt, eine sphärische bzw. Kugelgestalt oder eine kubische bzw. Würfelgestalt. Beispielsweise kann die Gestalt des Dotierstoffquellenmaterials an eine Versorgungsvorrichtung 609, wie z.B. einen Spender bzw. Verteiler angepasst sein, der gestaltet ist, um das Dotierstoffquellenmaterial zu einer Siliziumschmelze 610 in dem Tiegel 605 zu speisen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Dotierstoffquellenmaterial zusätzlich zu dem Dotierstoffmaterial ein Trägermaterial oder ein Binder- bzw. Bindemittelmaterial umfassen. Beispielsweise kann das Dotierstoffquellenmaterial Quarz oder Siliziumcarbid (SiC), dotiert mit dem Dotierstoffmaterial, sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Dotierstoffquellenmaterial ein hochdotiertes Siliziummaterial, wie ein hochdotiertes Polysiliziummaterial sein, das in einem größeren Ausmaß als das Siliziumrohmaterial dotiert ist. Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Dotierstoffquellenmaterial Bornitrid und/oder Borcarbid sein.
  • Ein Siliziumingot 612 wird aus dem Tiegel 605, der die Siliziumschmelze 610 enthält, gezogen, indem ein Keimkristall 614 in die Siliziumschmelze 610 getaucht wird, welcher anschließend langsam bei einer Oberflächentemperatur der Schmelze gerade oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium zurückgezogen wird. Der Keimkristall 614 ist ein einkristalliner Siliziumkeim, der auf einem Keimlager 615 befestigt ist, welches durch eine Ziehwelle 616 gedreht wird. Eine Ziehrate, die typischerweise in einem Bereich von einigen mm/min liegt, und ein Temperaturprofil beeinflussen einen Durchmesser des CZ-gewachsenen Siliziumingots 612.
  • Wenn der Siliziumingot 612 mit dem CZ-Wachstumssystem 600 gemäß dem in 5 veranschaulichten Verfahren ausgezogen wird, wird Bor der Siliziumschmelze 610 über einer Ziehzeitdauer beigefügt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird Bor dem geschmolzenen Silizium unter einer konstanten Rate beigefügt. Das Bor kann der Siliziumschmelze 610 von einem mit Bor dotiertem Quarzmaterial beigefügt werden, wie von einem mit Bor dotiertem Quarzmaterial, das zu der Siliziumschmelze 610 durch die Versorgungsvorrichtung 609 gespeist ist. Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Bor der Siliziumschmelze 610 von einem Borcarbid- oder von einem Bornitrid-Quellenmaterial beigefügt werden, das auch zu der Siliziumschmelze 610 durch die Versorgungsvorrichtung 609 gespeist sein kann.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Bor der Siliziumschmelze 610 von einem mit Bor dotiertem Tiegel beigefügt. Der mit Bor dotierte bzw. bordotierte Tiegel kann beispielsweise durch Implantieren von Bor in den Tiegel gebildet sein (vgl. die schematische Schnittdarstellung von 7). Das Bor kann in den Tiegel 605 durch eine oder mehrere geneigte bzw. schräge Implantationen, vgl. die Bezugszeichen I2 2 und I3 2, und/oder durch nicht-geneigte Implantation, vgl. das Bezugszeichen I1 2 in 7, implantiert werden. Eine Verteilung eines Neigungswinkels bzw. von Neigungswinkeln kann verwendet werden, um die Menge an Bor einzustellen, die zu der Siliziumschmelze 610 gespeist ist, indem ein Material des Tiegels 605 in der Siliziumschmelze 610 beispielsweise unter einer Rate in dem Bereich von angenähert 10 µm/Stunde im Fall eines aus Quarz hergestellten Tiegels aufgelöst wird. Das Bor kann in den Tiegel unter verschiedenen Energien und/oder unter verschiedenen Dosen implantiert werden. Ein Anwenden eines thermischen Budgets auf den Tiegel 605 durch Erwärmen kann es erlauben, ein retrogrades bzw. rückläufiges Profil des Bors in dem Tiegel 605 einzustellen. Mehrfache Implantationen bei verschiedenen Energien und/oder Dosen können es außerdem erlauben, ein Profil des Bors in einer Tiefe des Tiegels 605 einzustellen. Somit kann eine Rate des Beifügens von Bor in die Siliziumschmelze 610 eingestellt werden, d.h. durch Auswahl von Implantationsparametern kann die Rate des Zusatzes von Bor in einer wohldefinierten Weise verändert und gesteuert werden. Beispielsweise kann das Profil von Bor in dem Tiegel 605 ein retrogrades Profil sein. Als eine Alternative oder zusätzlich zum Implantieren von Bor in den Tiegel 605 kann Bor in den Tiegel 605 durch einen anderen Prozess, beispielsweise durch Diffusion von einer Diffusionsquelle, wie z.B. einer festen Diffusionsquelle von Bor, eingebracht werden. Als eine weitere Alternative oder zusätzlich zu den obigen Prozessen des Einführens von Bor in den Tiegel 605 kann Bor auch in den Tiegel 605 in-situ, d.h. während einer Bildung des Tiegels 605, eingebracht werden.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann Bor in die Siliziumschmelze 610 aus der Gasphase, beispielsweise durch Zufuhr von Diboran (B2H6) über die bzw. mittels der Versorgungsvorrichtung 609 eingeführt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Zufuhr von Bor in der Gasphase über eine Zufuhr eines Inertgases in das CZ-Wachstumssystem 600 auftreten. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Zufuhr von Bor in der Gasphase über eine oder mehrere Röhren, beispielsweise ein sich in die Siliziumschmelze 610 erstreckendes Quarzrohr auftreten. Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Zufuhr von Bor in der Gasphase über eine oder mehrere Röhren auftreten, welche in einem kurzen Abstand zu der Siliziumschmelze 610 enden. Die Rohre bzw. Röhren können eine oder mehrere Öffnungen an einem Auslass beispielsweise in der Form eines Duschkopfes umfassen.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Auskleidungsschicht auf dem Tiegel 605 gebildet sein, um eine Diffusion von Bor aus dem Tiegel 605 in die Siliziumschmelze 610 zu steuern. Als ein Beispiel kann die Auskleidungsschicht aus Quarz und/oder Siliziumcarbid gebildet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Auskleidungsschicht in der Siliziumschmelze 610 aufgelöst werden, bevor in dem Tiegel enthaltenes Bor in der Siliziumschmelze 610 gelöst wird und als ein Dotierstoff während des Wachstumsprozesses des Siliziumingots 612 dient. Dies erlaubt ein Einstellen eines Zeitpunkts, wenn Bor in der Siliziumschmelze als ein Dotierstoff verfügbar ist, um in den Siliziumingot 612 eingeführt zu werden. Die Auskleidungsschicht kann auch ein Einführen von Bor in die Siliziumschmelze 610 um eine Zeitdauer verzögern, die für eine Diffusion von Bor aus dem Tiegel 605 durch die Auskleidungsschicht in die Siliziumschmelze 610 erforderlich ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren zum Herstellen des Siliziumingots 612 weiterhin ein Ändern einer Rate der Zufuhr bzw. Beifügung des Bors zu der Siliziumschmelze 610. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Ändern der Rate der Beifügung des Bors zu der Siliziumschmelze 610 ein Ändern von wenigstens einer Größe aus Abmessung, Geometrie und Lieferrate von Partikeln, die Bor umfassen. Beispielsweise kann die Rate gesteigert werden durch Erhöhen eines Durchmessers der mit dem Dotierstoffmaterial dotierten Partikel. Als eine zusätzliche oder alternative Maßnahme kann die Rate der Zufuhr des Bors zu der Siliziumschmelze 610 erhöht werden durch Steigern der Zufuhrgeschwindigkeit des Dotierstoffquellenmaterials in die Siliziumschmelze 610 durch die Versorgungsvorrichtung 609.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das in der schematischen Schnittdarstellung von 8 veranschaulicht ist, umfasst ein Ändern der Rate der Zufuhr des Bors zu der Siliziumschmelze 610 ein Ändern einer Tiefe d eines Dotierstoffquellenmaterials 625, das in die Siliziumschmelze 610 getaucht ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Ändern der Zufuhrrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 ein Ändern einer Temperatur des Dotierstoffquellenmaterials 625. Beispielsweise kann durch Erhöhen einer Temperatur des Dotierstoffquellenmaterials, z.B. durch Erwärmen, die Menge des in die Siliziumschmelze 610 aus dem Dotierstoffquellenmaterial 625 eingeführten Bors gesteigert werden. Das Dotierstoffquellenmaterial 625 ist mit dem Bor dotiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Dotieren des Dotierstoffquellenmaterials durch eine Maßnahme aus einem in-situ-Dotieren, durch einen Plasmaabscheidungsprozess durch eine Oberfläche 626 des Dotierstoffquellenmaterials 625, durch Ionenimplantation durch die Oberfläche 626 des Dotierstoffquellenmaterials 625 und durch einen Diffusionsprozess durch die Oberfläche 626 des Dotierstoffquellenmaterials 625 ausgeführt. Das Dotierstoffquellenmaterial 625 kann beispielsweise als eine Stange bzw. Stab, ein Zylinder, einen Konus bzw. Kegel oder eine Pyramide geformt sein. Das Dotierstoffquellenmaterial 625 kann auch aus einer Vielzahl von getrennten Dotierstoffquellenstücken gebildet sein, die eine Gestalt oder eine Kombination von verschiedenen Gestalten haben. Die Tiefe d eines Teiles des Dotierstoffquellenmaterials 625, das in die Siliziumschmelze 610 getaucht ist, kann durch einen Ziehmechanismus 627 verändert werden. Der Ziehmechanismus 627 hält das Dotierstoffquellenmaterial 625, taucht das Dotierstoffquellenmaterial 625 in die Siliziumschmelze 610 und zieht auch das Dotierstoffquellenmaterial 625 aus der Siliziumschmelze 610. Ein Steuermechanismus 128 ist gestaltet, um den Ziehmechanismus 627 zu steuern. Der Steuermechanismus 628 kann den Ziehmechanismus 627 beispielsweise durch verdrahtete oder drahtlose Steuersignalübertragung steuern bzw. regeln.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Ändern der Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 ein Ändern eines Flusses oder Partialdrucks des Borträgergases, beispielsweise Diboran (B2H6), wenn die Siliziumschmelze 610 mit Bor aus der Gasphase dotiert wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 abhängig von einer Länge des Siliziumingots 612 von dem Keimkristall 614 zu der Siliziumschmelze 610 während eines Wachstums gesteuert werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 aufgrund eines Messergebnisses eines Gewichts des Siliziumingots 612 und/oder des Dotierstoffquellenmaterials 625 während des Czochralski-Wachstumsprozesses gesteuert werden. Beispielsweise können das Gewicht des Siliziumingots 612 und/oder des Dotierstoffquellenmaterials 625 gemessen werden, indem beispielsweise der Siliziumingot 612 und/oder das Dotierstoffquellenmaterial 625 unter einer Wiegebzw. Gewichtseinheit aufgehängt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann Bor oder ein anderer p-Typ-Dotierstoff vor und/oder während dem CZ-Wachstum durch ein p-Dotierstoffquellenmaterial, wie beispielsweise eine p-Dotierstoffquellenpille beigefügt werden. Das p-Dotierstoffquellenmaterial kann eine vorbestimmte Gestalt haben, wie beispielsweise eine Scheiben- bzw. Tellergestalt, eine sphärische bzw. Kugelgestalt oder ein kubische bzw. Würfelgestalt. Beispielsweise kann die Gestalt des p-Dotierstoffquellenmaterials an die Versorgungsvorrichtung 609, wie beispielsweise einen Verteiler, angepasst werden, der gestaltet ist, um das p-Dotierstoffquellenmaterial zu einer Siliziumschmelze 610 in dem Tiegel 605 zu speisen. Eine zeitabhängige Zufuhr eines p-Dotierstoffes in die Siliziumschmelze 610 kann durch Einstellen eines Profiles einer p-Typ-Dotierstoffkonzentration in einer Tiefe des p-Dotierstoffquellenmaterials erzielt werden, beispielsweise durch mehrfache Ionenimplantationen bei verschiedenen Energien und/oder durch Bilden einer das p-Dotierstoffquellenmaterial umgebenden Auskleidungsschicht zum Steuern eines Auflösens des p-Dotierstoffes von dem p-Dotierstoffquellenmaterial in die Siliziumschmelze 610 oder zum Steuern der Diffusion des p-Dotierstoffes aus dem p-Dotierstoffquellenmaterial in die Siliziumschmelze 610.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Steuern der Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 ausgeführt durch optisches Messen einer Änderung in Abmessungen eines mit Bor dotierten Quarzquellenmaterials. Ein Eintritt von Messlicht in das Quarzquellenmaterial kann beispielsweise durch einen Teil des Quarzquellenmaterials vorliegen, der von der Siliziumschmelze 610 vorspringt. Ein Ändern der Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 kann auch durch Ändern von wenigstens einer Größe aus einem Kontaktgebiet zwischen einem Dotierstoffquellenmaterial und der Siliziumschmelze und einem Erwärmen des Dotierstoffquellenmaterials ausgeführt werden. Durch Ändern der Zuführrate des Bors zu der Siliziumschmelze 610 kann eine effektive Absonderung bzw. Ausscheidung bzw. Segregation von Bor während eines CZ-Wachstums an das Ausscheidungsverhalten des n-Typ-Dotierstoffes bzw. der n-Typ-Dotierstoffe angepasst werden, um eine n-Typ-Dotierung zu erreichen, die teilweise bzw. partiell um 20 % bis 80 % mit Bor kompensiert ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Netto-n-Typ-Dotierung weiterhin durch eine p-Typ-Dotierstoffspezies kompensiert, die einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor zusätzlich zu Bor hat. Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Netto-n-Typ-Dotierung weiterhin durch eine Vielzahl von verschiedenen p-Typ-Dotierstoffspezies kompensiert, die Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor haben. Durch Ausführen einer partiellen Kompensation durch Bor, das einen Segregationskoeffizienten größer als Phosphor hat, und durch eine oder mehrere p-Typ-Dotierstoffspezies, die Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor haben, kann eine effektive Ausscheidung bzw. Segregation von p-Typ-Dotierstoffen während eines CZ-Wachstums an das Ausscheidungs- bzw. Segregationsverhalten von Phosphor angepasst werden. Dies erlaubt eine sehr effektive Kompensation selbst in dem Fall, dass Quellenmaterial vor dem Beginn des Schmelzprozesses ausgeführt ist. Gallium und Aluminium sind Beispiele von p-Typ-Dotierstoffspezies, die einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor haben. Der Wert des sich ergebenden effektiven Segregationskoeffizienten kann durch das Verhältnis zwischen den p-Typ-Dotierstoffspezies mit einem höheren Segregationskoeffizienten und den p-Typ-Dotierstoffspezies mit niedrigerem Segregationskoeffizienten eingestellt werden. Typischerweise ist das Verhältnis zwischen B und Al oder Ga wenigstens 2 oder sogar höher als 5 oder sogar höher als zehn für den Fall einer Phosphordotierung.
  • Das Verfahren zum Herstellen des Siliziumingots 112, wie oben beschrieben, umfasst eine partielle Kompensation, wobei Donatoren in dem n-dotierten Siliziumingot 112 Bor und optional weitere p-Typ-Dotierstoffe, die der Siliziumschmelze 110 während eines CZ-Wachstums beigefügt sind, zahlenmäßig übertreffen.
  • Ein axiales Profil einer Dotierung, verursacht durch Segregation bzw. Ausscheidung von Dotierstoffmaterial während eines CZ-Wachstums, kann durch Gleichung (1) unten angenähert werden:
    Figure DE202015102716U1_0002
  • Der erste Term in der Gleichung (1) bezieht sich auf ein Dotieren, das der Schmelze vor einem Ausziehen des Siliziumingots aus der Schmelze beigefügt wurde. Gemäß den obigen Ausführungsbeispielen können n-Typ-Dotierstoffmaterialien durch den ersten Term der Gleichung (1) beschrieben werden. Der zweite Term bezieht sich auf ein Beifügen von Dotierstoffmaterial mit einer konstanten Rate in die Schmelze während eines CZ-Wachstums. Gemäß den obigen Ausführungsbeispielen kann das Beifügen des Bors durch den zweiten Term von Gleichung (1) beschrieben werden.
  • In der obigen Gleichung (1) bezeichnet c(p) eine Konzentration des Dotierstoffmaterials in dem Siliziumingot (Atome/cm3), p bezeichnet einen Teil der anfänglichen Schmelze während eines CZ-Wachstums, der kristallisiert wurde und einer axialen Position zwischen 0 % und 100 % des vollständig gewachsenen Siliziumingots entspricht, k0 bezeichnet einen Segregationskoeffizienten des Dotierstoffmaterials, beispielsweise angenähert 0,8 für Bor (B) in Silizium und angenähert 0,35 für Phosphor (P) in Silizium, c0 bezeichnet eine anfängliche Konzentration des Dotierstoffmaterials in der Schmelze (Atome/cm3) und F0 bezeichnet eine Gesamtmenge des Dotierstoffmaterials, das konstant (bezüglich der Ziehrate) zu der Schmelze beigefügt ist, geteilt durch das Anfangsvolumen der Schmelze (Atome/cm3).
  • 9 veranschaulicht berechnete Konzentrationen von nicht-kompensiertem Phosphor (P), d.h. eine Netto-n-Dotierung gegenüber einer axialen Position zwischen entgegengesetzten Enden eines Siliziumingots. Die veranschaulichten Kurven beziehen sich auf verschiedene Verhältnisse von Bor (B) und Phosphor (P), d.h. F0B/c0P entsprechend dem Verhältnis der Gesamtmenge an Bor, die konstant (bezüglich der Ziehrate) der Siliziumschmelze beigefügt ist, geteilt durch das Anfangsvolumen der Schmelze (F0B in Atomen/cm3), und einer Anfangskonzentration von Phosphor in der Schmelze (c0P in Atomen/cm3).
  • Die dargestellten Kurven beziehen sich auf Werte von F0B/c0P von 0 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %. Durch Beifügen von Bor zu der Schmelze während eines CZ-Wachstums und dadurch Beifügen eines Kompensationsdotierstoffes zu der Schmelze während des CZ-Wachstums ermöglicht das anhand der 5 bis 8 beschriebene Verfahren Siliziumwafer, die für ein Herstellen von Halbleitervorrichtungen mit verbesserter Robustheit und Zuverlässigkeit geeignet sind. Wenn das Bor der Schmelze vor Einleiten des CZ-Wachstums des Siliziumingots beigefügt wird, kann eine Homogenität der Netto-n-Dotierungskonzentration längs der axialen Richtung zwischen entgegengesetzten Enden des Siliziumingots sogar schlechter sein als für den Fall von F0B/c0P von 0 %, d.h. ohne Beifügen von Bor. Dies beruht auf dem größeren Segregationskoeffizienten des Kompensationsdotierstoffes Bor im Vergleich mit dem Segregationskoeffizienten des n-Typ-Dotierstoffes, wie beispielsweise Phosphor. Durch eine partielle Kompensation von wenigstens 20% des P durch B variiert eine elektrisch aktive elektrisch Nettodotierungskonzentration, die auf einer Differenz zwischen den Dotierungskonzentrationen der Donatoren und Akzeptoren basiert, entlang wenigstens 40% einer axialen Länge des CZ Siliziumstabs um weniger als 60%. Die Schwankung kann weiter verringert werden, indem den Segregationseffekten der Donatoren noch besser durch Kompensation mittels Akzeptoren, die ein anderes Segregationsverhalten zeigen, entgegengewirkt wird. Hiermit lässt sich eine Schwankung der elektrisch aktiven Nettodotierungskonzentration entlang der wenigstens 40% der axialen Länge des CZ Siliziumstabs kleiner als 40%, oder kleiner als 30%, oder sogar kleiner als 20% halten.
  • 10 veranschaulicht berechnete spezifische Widerstandskurven in Abhängigkeit von bzw. gegenüber einer axialen Position zwischen entgegengesetzten Enden eines Siliziumingots. Ähnlich zu den in 9 veranschaulichten Parameterkurven beziehen sich die in 10 gezeigten Kurven auf verschiedene Verhältnisse von Bor (B) und Phosphor (P), d.h. F0B/c0P entsprechend dem Verhältnis der Gesamtmenge an Bor, die konstant (bezüglich der Ziehrate) der Siliziumschmelze beigefügt ist, geteilt durch das Anfangsvolumen der Schmelze (F0B in Atomen/cm3), und einer anfänglichen Konzentration von Phosphor in der Schmelze (c0P in Atomen/cm3).
  • Ähnlich zu den in 9 veranschaulichten Parameterkurven beziehen sich die in 10 gezeigten Kurven auf Werte von F0B/c0P von 0 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %. Durch Beifügen von Bor zu der Schmelze während eines CZ-Wachstums und dadurch Beifügen eines Kompensationsdotierstoffes zu der Schmelze während des CZ-Wachstums erlaubt das anhand der 5 bis 8 beschriebene Verfahren ein Verbessern der Homogenität des spezifischen Widerstandes längs der axialen Richtung zwischen entgegengesetzten Enden des Siliziumingots und ermöglicht damit Siliziumwafer, die zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen geeignet sind, welche eine verbesserte Robustheit und Zuverlässigkeit haben.
  • Auf der Grundlage des anhand der 5 bis 10 dargestellten und beschriebenen Verfahrens veranschaulicht Tabelle 1 einen maximalen Teil des Ingots längs der axialen Richtung, die eine spezifische Fluktuation des spezifischen Widerstandes und eines spezifischen Verhältnisses von Bor (B) und Phosphor (P) hat, d.h. F0B/c0P entsprechend dem Verhältnis der Gesamtmenge an Bor, die konstant (bezüglich der Ziehrate) der Siliziumschmelze beigefügt ist, geteilt durch das Anfangsvolumen der Schmelze (F0B in Atomen/cm3), und einer anfänglichen Konzentration von Phosphor in der Schmelze (c0P in Atomen/cm3). Tabelle 1 bezieht sich auf Werte von F0B/c0P von 0 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 % und auf axiale Fluktuationen des spezifischen Widerstandes von +/–5 %, +/–10 %, +/–15 %, +/–20 %, +/–30 %, +/–50 %. Durch Beifügen von Bor zu der Schmelze während eines CZ-Wachstums und dadurch Beifügen eines Kompensationsdotierstoffes zu der Schmelze während des CZ-Wachstums erlaubt das anhand der 4 bis 10 beschriebene Verfahren eine Ausbeuteverbesserung durch Erhöhen des maximalen Teiles des Ingots längs der axialen Richtung mit einer spezifischen Fluktuation des spezifischen Widerstandes. Als ein Beispiel kann der axiale Teil des Ingots mit einer Fluktuation des spezifischen Widerstandes von +/–10 % von 26 % (keine Kompensationsdotierung) auf 78 % (Kompensationsdotierung F0B/c0P von 40 %) erhöht werden. Tabelle 1:
    Maximale Ingotlänge mit axialer Fluktuation des spezifischen Widerstandes von
    Borkompensationsfluss/anfängliche Dotierung mit Phosphor +/–5 % +/–10 % +/–15 % +/–20 % +/–30 % +/–50 %
    Keine Kompensation 14 % 26 % 36 % 46 % 60 % 80 %
    20 % 32 % 48 % 58 % 66 % 76 % 88 %
    30 % 56 % 66 % 74 % 78 % 84 % 92 %
    35 % 66 % 74 % 78 % 82 % 86 % 92 %
    40 % 38 % 78 % 82 % 84 % 88 % 92 %
    45 % 22 % 44 % 84 % 86 % 88 % 94 %
  • Gemäß dem anhand der 9 und 10 veranschaulichten Verfahren wird Bor konstant (bezüglich der Ziehrate) zu der Siliziumschmelze (beschrieben durch den Term F0B in Atomen/cm3) beigefügt, und Phosphor wird als eine anfängliche Konzentration der Schmelze (beschrieben durch den Term c0P in Atomen/cm3) beigefügt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann Bor der Schmelze unter einer wechselnden Rate beigefügt werden. Abgesehen von oder zusätzlich zu Phosphor können andere n-Typ-Dotierstoffmaterialien, wie Antimon oder Arsen, verwendet werden.
  • Zusätzlich zum Beifügen von Bor zu der Schmelze während eines CZ-Wachstums kann auch ein Teil des Gesamtbors der Schmelze vor einem CZ-Wachstum beigefügt werden, was durch einen Term c0P in Gleichung (1) beschrieben werden kann. In ähnlicher Weise kann zusätzlich zum Beifügen von Phosphor oder einem anderen n-Typ-Dotierstoffmaterial als eine anfängliche Konzentration zu der Schmelze ein Teil des Phosphors oder des anderen n-Typ-Dotierstoffes der Schmelze während eines CZ-Wachstums beigefügt werden, was durch einen Term F0P in Gleichung (1) im Falle eines konstanten Beifügens des Phosphors oder des anderen n-Typ-Dotierstoffmaterials bezüglich der Ziehrate beschrieben werden kann.
  • Ein Scheibenschneiden des Siliziumingots in Siliziumwafer kann senkrecht zu einer zentralen Wachstumsachse des Siliziumingots ausgeführt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Scheibenschneiden durch ein geeignetes Scheibenschneidwerkzeug, wie beispielsweise eine Innendurchmesser-(ID)-Säge oder eine Drahttypsäge ausgeführt.
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele können kombiniert werden. Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausführungsbeispielen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Schutzansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (19)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Siliziumhalbleiterkörper (204), der eine Driftzone (205) einer Netto-n-Typ-Dotierung aufweist, wobei eine n-Typ-Dotierung partiell um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert ist, und eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in der Driftzone (205) in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3 ist.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die n-Typ-Dotierung Phosphor umfasst, der partiell durch Bor kompensiert ist.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Netto-n-Typ-Dotierung in der Driftzone (205) weiterhin durch eine p-Typ-Dotierstoffspezies kompensiert ist, die einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor hat.
  4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die p-Typ-Dotierstoffspezies wenigstens einer Spezies aus Aluminium und Gallium entspricht.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der ein Konzentrationsverhältnis zwischen Bor und der wenigstens einen Spezies aus Aluminium und Gallium wenigstens 2 beträgt.
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Netto-n-Dotierung der Driftzone (205) einer Dotierung eines Rohmaterials des Siliziumhalbleiterkörpers (204) entspricht, und weiterhin umfassend p-dotierte und n-dotierte Bereiche (220, 225), die eine Nettodotierungskonzentration größer als die Nettodotierungskonzentration in der Driftzone (205) haben.
  7. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Halbleitervorrichtung eine Vorrichtung aus einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate, einer Diode und einem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate ist.
  8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Halbleitervorrichtung eine vertikale Leistungshalbleitervorrichtung ist, die einen ersten Lastanschluss (220) an einer ersten Oberfläche (210) des Halbleiterkörpers (204) und einen zweiten Lastanschluss (225) an einer zweiten Oberfläche (211) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (210) umfasst.
  9. Ein CZ Siliziumstab, der mit Donatoren und Akzeptoren dotiert ist und einen axialen Gradienten der Dotierungskonzentration der Donatoren und Akzeptoren aufweist, wobei eine elektrisch aktive Nettodotierungskonzentration, die auf einer Differenz zwischen den Dotierungskonzentrationen der Donatoren und Akzeptoren basiert, entlang wenigstens 40% einer axialen Länge des CZ Siliziumstabs durch eine partielle Kompensation von wenigstens 20% der Dotierungskonzentration der Donatoren durch die Akzeptoren um weniger als 60% schwankt.
  10. CZ Siliziumstab nach Anspruch 9, wobei die elektrisch aktive Nettodotierungskonzentration entlang der wenigstens 40% der axialen Länge des CZ Siliziumstabs um weniger als 20% schwankt.
  11. CZ Siliziumstab nach Anspruch 9, wobei die Donatoren wenigstens einen Donator aus Phosphor, Arsen und Antimon aufweisen.
  12. CZ Siliziumstab nach Anspruch 9, wobei die Akzeptoren Bor aufweisen.
  13. CZ Siliziumstab nach Anspruch 12, wobei die Akzeptoren zusätzlich wenigstens einen Akzeptor aus Aluminium, Gallium und Indium aufweisen.
  14. CZ Siliziumstab nach Anspruch 12, wobei eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3 ist.
  15. Siliziumwafer, umfassend eine Netto-n-Typ-Dotierung, wobei eine n-Typ-Dotierung partiell um 20 % bis 80 % mit p-Typ-Dotierstoffen kompensiert ist, und eine Netto-n-Typ-Dotierungskonzentration in einem Bereich von 1 × 1013 cm–3 bis 1 × 1015 cm–3 ist.
  16. Siliziumwafer nach Anspruch 15, bei dem die n-Typ-Dotierung Phosphor umfasst, das partiell durch Bor kompensiert ist.
  17. Siliziumwafer nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Netto-n-Typ-Dotierung weiterhin durch eine p-Typ-Dotierstoffspezies kompensiert ist, die einen Segregationskoeffizienten kleiner als Phosphor hat.
  18. Siliziumwafer nach Anspruch 17, bei dem die p-Typ-Dotierstoffspezies Aluminium und/oder Gallium aufweist.
  19. Siliziumwafer nach Anspruch 18, bei dem ein Konzentrationsverhältnis zwischen Bor einerseits und Aluminium und/oder Gallium andererseits wenigstens 2 beträgt.
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