Beschreibung
Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Halbleiterbauelement weist in einem Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen zwei Elektroden auf. Dabei besitzt die Driftstrecke Driftzonen eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad zwischen den Elektroden in der Driftstrecke bereitstellen. Außerdem weist die Driftstrecke Ladungskompen- sationszonen eines komplementären Leitungstyps auf, die den Strompfad der Driftstrecke einengen.
Ein derartiges Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur sowie zugehörigem Herstellungsverfahren ist aus der DE 101- 32- -136- Cl- bekannt . -Die Ladun-gskompe-nsationsstr-uktur dieses Halbleiterbauelements weist im Querschnitt eine Mehr- zahl von aufeinander gestapelten, komplementär leitenden Bereichen auf, die durch einen Wechsel von aufeinander folgenden Epitaxieschritten mit selektiver Ionenimplantation, eine aufeinander gestapelte Mehrzahl von begrenzten Quellen eines Dotierstoffes für den komplementären Leitungstyp ergeben. Durch vertikale und laterale Diffusion der Quellen bilden sich zusammenhängende Ladungskompensationszonen des komplementären Leitungstyps in der Driftstrecke des Halbleiterbauelements .
Eine derartige Ladungskompensationsstruktur hat den Nachteil, dass die Störstellenquellen flächig durch entsprechende Ionenimplantationsmasken aufzubringen sind, und damit fertigungstechnisch in ihrer lateralen Erstreckung nicht beliebig
verkleinert werden können. Hinzu kommt, dass diese laterale Erstreckung nach der selektiven Ionenimplantation durch die anschließende Diffusion noch vergrößert wird. Das für eine derartige Ladungskompensationsstruktur benötigte Halbleiter- körpermaterial steht für den Strompfad der Driftstrecke nicht mehr zur Verfügung. Die lateralen Grenzen des Querschnitts der bekannten Ladungskompensationsstruktur erfordern aufgrund der photolithographischen Implantationsmasken Mindestgrößen, die im Mikrometerbereich liegen und Toleranzen deutlich im Sub-Mikrometerbereich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für das Herstellen derartiger Ladungskompensationszonen eine Mehrzahl von Epitaxieschritten, Justageschritten, photolithographischen Maskierungsschritten und Ionenimplantationsschritten, sowie schließlich mindestens ein Diffusionsschritt erforderlich sind, was zu einem kostenintensiven Fertigungsverfahren für derartige Halbleiterbauelemente führt.
Ein alternatives laterales" Hälblei~terbauelement~~ist aus der- Patentschrift DE 198 28 191 Cl bekannt, bei dem anstelle von diffundierten Ladungskompensationszonen in die Epitaxieschicht der Driftstrecke eine Grabenstruktur eingebracht wird. Anschließend werden in die Wände und in den Boden der Grabenstruktur Ladungskompensationszonen mit komplementärem Leitungstyp eindiffundiert, wobei als Quellmaterial des Do- tierstoffes für den komplementären Leitungstyp die Grabenstruktur entweder mit einem hochdotierten Polysilizium aufgefüllt wird, oder in die Grabenstruktur ein Dotierglas auf den Seitenwänden und dem Boden aufgebracht wird. Zwar wird mit diesem Verfahren zumindest in den Randbereichen die Breite der aktiven Kompensationszone vermindert, jedoch steht das Volumen der Grabenstruktur nicht für den Strompfad zwischen den beiden Elektroden des Halbleiterbauelements zur Verfügung, so dass auch hier ein erheblicher Anteil der Epita-
xiefläche für das Einbringen der Ladungskompensationsstruktur in der Driftstrecke geopfert werden muss.
Aus der Druckschrift US 6,608,350 B2 ist ferner ein hochspan- nungsfestes vertikal leitendes Halbleiterbauelement bekannt, das eine Vielzahl von tiefen Gräben oder Löchern in einer schwachdotierten Driftstrecke aufweist. In einem Ausführungsbeispiel sind auch hier die Grabenstrukturen von einem halbleitenden Polysiliziumkörper gefüllt, jedoch ist die komple- mentär leitende Wanddotierung nicht mehr im Bodenbereich der Grabenstruktur angeordnet, so dass das polykristalline, halbleitende Silizium im Bodenbereich im Kontakt mit dem Material der Driftstrecke steht. Somit liefert das polykristalline Silizium einen hochohmigen Strompfad zwischen den beiden Elekt- roden, womit die Beeinflussung der Feldverteilung in den
Driftzonen, die von den Ladungskompensationszonen der komplementär leitenden Wände der Grabenstruktur ausgeht, verstärkt wird. Dennoch stellt diese "L'ösϋrig "einen Nachteil -für die-- - •- Halbleiterbauelemente dar, weil wiederum das Volumen der Gra- benstruktur keinen Beitrag zum Strompfad der Driftzonen liefert.
Schließlich ist aus der Druckschrift US 6,495,294 Bl ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitersubtrats bekannt, das einen epitaxialen Film in einer Grabenstruktur aufweist. Dazu wird eine erste Epitaxieschicht eines ersten Leitungstyps auf einem monokristallinen Halbleiterwafer aufgebracht und eine Grabenstruktur in die Epitaxieschicht eingeätzt. In zwei Stufen wird dann die Grabenstruktur mit halbleitendem monokri- stallinem Material eines zum ersten Leitungstyp komplementären Leitungstyps zu Ladungskompensationszonen aufgefüllt. In einer ersten Stufe wird eine amorphe nicht kristalline komplementär dotierte Schicht in der Grabenstruktur abgeschie-
den, die anschließend zu einer monokristallinen komplementär dotierten Keimschicht getempert wird. Danach wird in einer zweiten Stufe auf der monokristallinen Keimschicht eine komplementär dotierte monokristalline Füllung der Grabenstruktur aufgewachsen. Mit dieser monokristallinen Auffüllung der Grabenstruktur steht eine in ihrer Breite exakt definierte Kompensationszone zur Verfügung, die einen erheblichen Anteil einer Driftstrecke eines Halbleiterbauelements einnimmt und somit nachteilig das Epitaxiematerial des ersten Leitungstyps für die Ausbildung von Strompfaden in Driftzonen einengt und vermindert .
Es besteht daher ein Bedürfnis, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, bei dem einerseits die Mehrzahl von aufgewachsenen Epitaxieschichten vermindert ist, und andererseits das Volumen von Grabenstrukturen für die Strompfade der Driftstrecken in einem Halbleiterbauelement nutzbar ist. Schließlich ist es Ziel der Erfindung in dem" fialbleiterbaueleme'nty LadungskOm— pensationszonen bereitzustellen, die in ihrer Ausdehnung auf ein Minimum reduziert sind.
Dies wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erzielt. Zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
In einer ersten Ausführungsform wird ein Halbleiterbauelement mit Ladungskompensationsstruktur und ein Verfahren zu seiner Herstellung geschaffen, wobei das Halbleiterbauelement in einem Halbleiterkörper eine Driftstrecke zwischen zwei Elek- troden aufweist. Die Driftstrecke umfasst Driftzonen eines ersten Leitungstyps, die einen Strompfad zwischen den Elektroden in der Driftstrecke bereitstellen. Die Ladungskompen- sationszonen weisen einen komplementären Leitungstyp auf und engen den Strompfad der Driftstrecke ein. Dazu weisen die
Driftzonen zwei alternierend angeordnete epitaxial aufgewachsene Driftzonentypen des ersten Leitungstyps auf. Ein erster Driftzonentyp besitzt ein monokristallines Halbleitermaterial, das auf einem monokristallinen Substrat aufgewachsen ist. Ein zweiter Driftzonentyp weist ein monokristallines Halbleitermaterial in einer Grabenstruktur auf, die komplementär dotierte Wände besitzt, wobei die komplementär dotierten Wände die Ladungskompensationszonen bilden.
Dieses Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass der Strompfad innerhalb der Driftstrecke zwischen den Elektroden deutlich vergrößert ist, da nun durch den zweiten Driftzonentyp auch das Volumen der Grabenstruktur, die mit monokristallinem Halbleitermaterial gefüllt ist, zur Stromführung zwischen den Elektroden beiträgt. Damit wird in vorteilhafter Weise der
Durchlasswiderstand des Halbleiterbauelements vermindert, ohne dass die Sperreigenschaften des Halbleiterbauelements mit Ladungskompensatioήsstruktur" beeinträchtigt" sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das
Verhältnis v zwischen der Breite bκ der Ladungskompensationszonen quer zu dem Strompfad und der Breite bD der Driftzonen quer zu dem Strompfad bκ/bD = v ≤ 0,1. Bei einer Driftzonenbreite von 10 μm erfordern somit Ladungskompensationszonen nur Breiten von ≤ 1 μm. Vorzugsweise wird die Breite der Ladungskompensationszonen in den Wänden der Grabenstruktur auf kleiner 500 Nanometer eingestellt.
Die Breite der Ladungskompensationszonen kann durch die Ein- dringtiefe eines Dotierstoffes des komplementären Leitungstyps in das Driftzonenmaterial des ersten Driftzonentyps definiert werden. Dadurch ist die Eindringtiefe in Wandbereichen von epitaxial mit monokristallinem Halbleitermaterial
des ersten Leitungstyps aufgefüllten Grabenstrukturen definiert. Diese monokristallin aufgefüllten Grabenstrukturen erstrecken sich in Strompfadrichtung. Die Eindringtiefe kann durch eine Diffusionsquelle, welche die Wände der Graben- Struktur belegt und durch einen Diffusionsvorgang bis zu der definierten Eindringtiefe eingebracht ist, erreicht werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Breite der Ladungskompensationszonen durch eine epi- taxiale Aufwachsdicke einer monokristallinen Halbleitermaterialschicht des komplementären Leitungstyps definiert. Dabei ist die monokristalline Halbleitermaterialschicht auf Wandbereichen der Grabenstruktur aufgewachsen und erstreckt sich in Strompfadrichtung. In einer epitaxial aufgewachsenen monokri- stallinen Halbleitermaterialschicht ist ein abrupter pn-Über- gang in den Wandbereichen der Grabenstruktur definiert, der jedoch durch eine nachfolgende epitaxiale Auffüllung der Gra- benstrüktur "mit "möήökriställinem "Halb'lertermaterial aufgrund von Diffusionsvorgängen über die ursprüngliche Aufwachsdicke hinausragen kann.
Ein Vorteil einer derartigen Ladungskompensationszone liegt darin, dass sie relativ genau durch die Aufwachsdicke eingestellt werden kann, wobei die Störstellenkonzentration und die Breite der Aufwachsdicke an die Erfordernisse des Ausräumens der Ladungsträger der angrenzenden Driftzonen des ersten und des zweiten Driftzonentyps im Sperrbetrieb des Halbleiterbauelements angepasst ist. Dies hat den Vorteil, dass die Störstellenkonzentration und damit die Leitfähigkeit der Driftzonen des ersten und zweiten Leitungstyps entsprechend der Dotierung und Breite der Ladungskompensationszonen deutlich erhöht werden kann, womit der Durchlasswiderstand derartiger Halbleiterbauelemente vermindert wird.
Vorzugsweise sind die Ladungskompensationszonen und die Driftzonen der Driftstrecke zwischen den Elektroden streifenförmig nebeneinander angeordnet. Diese vorteilhafte Ausfüh- rungsform der Erfindung ermöglicht, dass der mit monokristallinem Halbleitermaterial aufzufüllende zweite Driftzonentyp einen gradlinigen Strompfad zwischen den beiden Elektroden gewährleistet. Durch die streifenförmige Geometrie der Wände dieser Grabenstruktur ergeben sich in vorteilhafter Weise langgestreckte Ladungskompensationszonen in den Wänden der
Grabenstruktur. Andererseits ist es auch möglich, durch entsprechende Ätzmasken die Randstrukturen der Grabenwände in ihrer Längserstreckung zu unterbrechen und somit floatende und voneinander durch pn-Übergänge getrennte Ladungskompensa- tionssäulen bereitzustellen. Dieses erfordert lediglich einen weiteren Strukturierungsprozess der bereits komplementär dotierten Wände der Grabenstrukturen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterkörper ein hochdotiertes Substrat des ersten oder des komplementären Leitungstyps auf, auf dem eine schwach- bis mitteldotierte Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps mit der Driftstrecke angeordnet ist. Dabei hängt der Leitungstyp des Substrats von dem Typ des herzustellenden HaIb- leiterbauelements ab. Für unipolare Halbleiterbauelemente weist das hochdotierte Substrat den gleichen Leitungstyp auf wie die Epitaxieschicht auf, während für bipolare Halbleiterbauelemente das hochdotierte Substrat einen komplementären Leitungstyp zu dem Leitungstyp der Epitaxieschicht bildet. Bei einem derartigen Halbleiterkörper erstrecken sich die Ladungskompensationszonen in Bezug auf ihre Tiefe von einer O- berseite des Halbleiterköpers bis zu einer Oberseite des Substrats .
Wird jedoch in dem Halbleiterkörper zwischen der Driftstrecke und dem Substrat eine nicht strukturierte, schwachdotierte Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps angeordnet, dann erstrecken sich die Ladungskompensationszonen in Bezug auf ihre Tiefe von der Oberseite des Halbleiterkörpers bis zu einer Oberseite der Sockelepitaxieschicht. Dabei ist die Dicke der Sockelepitaxieschicht derart vorgesehen, dass die freien Ladungsträger bei Anliegen einer Sperrspannung durch den sich ausbildenden pn-Übergang vollständig oder zumindest teilweise ausgeräumt werden. Der Vorteil einer derartigen Sockelepitaxieschicht liegt einerseits darin, dass der Übergang von dem hochdotierten Substrat zu der schwachdotierten Sockelepitaxieschicht ein Abklingen von der hohen Konzentration an Störstellen des Substrats auf die geringe Konzentration der Dotierung in den Driftzonen bzw. der Sockelepitaxieschicht ermöglicht. Darüber hinaus hat eine solche Sockelepitaxie- Schicht .den.„Vorteil, dass.~die- Avalanche-Festigkeit erhöht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauelement im Bereich der Driftstrecke quer zur Stromrichtung eine protonenimplantierte Schicht auf. Diese verursacht in den implantierten Bereichen eine zusätz- liehe Donatordotierung. Das hat den Vorteil, dass mit dieser protonenimplantierten Schicht die Spannungsfestigkeit des pn- Übergangs lokal und durch die Wahl der Implantationsparameter gezielt herabgesetzt wird, so dass eine höhere Avalanche- festigkeit durch diese zusätzliche vergrabene Dotierung er- zielt werden kann, was durch eine adäquate Protonenimplantation eingestellt werden kann. Besonders vorteilhaft lässt sich hier die Protonenimplantation nur im Zellenfeld der Driftstrecke einbringen, wenn gleichzeitig eine entsprechend
dicke Polyimidschicht den Randbereich vor einer derartigen Protonenimplantation schützt. Automatisch erhält dann dadurch der Randbereich eine höhere Sperrfähigkeit als die Driftstrecke des Halbleiterbauelements.
Für eine Protonenimplantation wird vorzugsweise ein Linearbeschleuniger zum Erzeugen von n-dotierten Bereichen in einem Halbleiterbauelement verwendet, wobei insbesondere auch ein Erzeugen von n-dotierten Bereichen in Kompensationsstrukturen des Halbleiterbauelements vorgesehen ist.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass der erste und/oder der zweite Driftzonentyp ein monokristallines Halbleitermaterial des ersten Leistungstyps mit substitutionell und/oder inter- stitiell angeordneten Fremdatomen aufweist, welche den Diffusionskoeffizienten der komplementär-dotierten Störzellen herabsetzt. Dieses hat den Vorteil, dass die komplementär- leitenden- Störstellen der auf -die Wandbereic-he der -Gräben - aufgebrachten Kompensationszonen, an einer Ausbreitung bzw. Diffusion in die benachbarten Driftzonentypen behindert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Driftzonentyp ein epitaxial gewachsenes monokristallines Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps in der mit komplementär dotierten Wänden versehenen Grabenstruktur auf, wobei mit dem Aufwachsen der Epitaxie eine substitutionell und/oder interstitiell angeordnete Kohlenstoffkon- zentration [C] mit [C] ≤ 1 x 1020 cm"3 in die Epitaxieschicht eingebaut ist. Eine derartige Kohlenstoffkonzentration, die mit dem Aufwachsen des monokristallinen Halbleitermaterials in die Grabenstruktur eingebracht wird, hat den Vorteil, dass eine Ausdiffusion von Störstellen des komplementären Leitungstyps aus den Grabenwänden und in den zweiten Driftzonen-
typ hinein behindert wird, da die Diffusionskonstante der komplementären Störstellen im monokristallinen Halbleiterma- terialgefüge durch eine derartige Kohlenstoffkonzentration deutlich vermindert wird. Praktisch stellt diese Kohlenstoff- konzentration eine Diffusionsbarriere dar und verlangsamt deutlich, dass sich beim Auffüllen der Grabenstruktur mit monokristallinem mitteldotiertem Halbleitermaterial die La- dungskompensationszone in dieses neu wachsende Material hinein durch Diffusion ausbreitet. Dieses gilt besonders, wenn der komplementäre Leitungstyp mit substitutioneil angeordneten Bor-Akzeptoren dotiert ist.
Die Kohlenstoffkonzentration in dem aufwachsenden monokristallinen Halbleitermaterial reduziert die Ausdiffusion des Bors, womit eine laterale Bordiffusion aus den Grabenwänden heraus in das wachsende halbleitende Siliziummaterial durch die Kohlenstoffkonzentration vermindert wird, was im Ergebnis eine Verminderung" des "DufchlässwiderStands ermöglicht . -Der- — gleiche diffusionshemmende Effekt kann anstelle von Kohlen- stoff auch mit einem geringen Anteil an Germanium erreicht werden, da auch Germanium einer Ausdiffusion von Bor in Silizium entgegenwirkt. Allerdings muss beim Einsatz von Germanium zur Verhinderung der lateralen Diffusion berücksichtigt werden, dass die Durchbruchfeldstärke von SiGe bei gleicher freier Weglänge der Ladungsträger wegen des geringeren Bandabstands ebenfalls reduziert ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Driftzonentyp ein monokristallines Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps in der mit komplementär dotierten
Wänden versehenen Grabenstruktur auf, wobei die Grabenstruktur nicht vollständig aufgefüllt ist und im oberen Bereich der Gräben eine Abschlussfüllung mit einem Isolationsmateri-
al, vorzugsweise mit SiO2 aufweist. Eine derartige Struktur hat vor allem verfahrenstechnische Vorteile, da die Mo- nokristallinität im oberen Bereich der Grabenstruktur durch vorzeitiges Zuwachsen der Grabenstrukturöffnung zu Hohlräumen im auffüllenden monokristallinen Material führen kann.
Um dieses zu vermeiden, kann das Auffüllen der Grabenstruktur vorzeitig beendet werden, und die fehlende Abschlussauffüllung kann durch ein Isolationsmaterial vollendet werden, wo- bei die Gefahr der Hohlraumbildung bei derartigen Abschlussfüllungen geringer ist. Ferner beeinträchtigen Hohlräume bei Siθ2~Abschlussfüllungen nicht die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements. Insbesondere die Sperrfähigkeit des Halbleiterbauelements bleibt gewährleistet, trotz Lunkern im Material der isolierenden Abschlussfüllung.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die komplementär dotierten Wände .der..Grabenstruktur zu dem .auffüllenden- monok-r-istalli-ne-n Halbleitermaterial des zweiten Driftzonentyps hin und/oder in der Grenze zum ersten Driftzonentyp eine diffusionshemmende monokristalline Schicht mit SixGeyCz aufweist, wobei x > y und x > z ist, und vorzugsweise die Schicht aus Sio,86 Geo,o7 Co,o7 besteht. Eine auf den Grabenwänden der Grabenstruktur abgeschiedene monokristalline Schicht dieser Zusammensetzung hat den Vorteil, dass sie deutlich eine Ausdiffusion der komplementären Störstellen behindert.
Da Germanium im Siliziumgitter größer ist und somit eine lokale Expansion des Gitters hervorruft, während Kohlenstoff gegenüber Silizium kleiner ist und eine lokale Gitterkompression hervorruft, ergibt sich insgesamt ein nahezu ausgeglichener Zustand, so dass das monokristalline Wachstum bei entsprechend geringen Anteilen an Germanium und Kohlenstoff, zu-
mal wenn diese im Gleichgewicht stehen, relativ ungestört ist. Jedoch bewirken diese lokalen Gitter Verzerrungen, dass die Ausdiffusion von anderen substitutionellen Dotierstoffen behindert wird. Folglich sorgt auch diese Beschichtung der Grabenstruktur dafür, dass der komplementäre Dotierstoff hauptsächlich in den Grabenwänden verbleibt und kaum das monokristallin wachsende Halbleitermaterial des zweiten Driftzonentyps verunreinigt oder umdotiert. Um eine derartige Wirkung zu entfalten, sind Germanium und Kohlenstoff bevorzugt auf Siliziumkristallgitterplätzen substitutionell angeordnet.
Eine relativ unüberwindliche Diffusionsbarriere stellt kubisches SiC dar. Dieses kann auf die komplementär dotierten Wände der Grabenstruktur als diffusionshemmende kristalline Schicht aufgebracht sein. Dabei wird davon ausgegangen, dass das kubische SiC ein monokristallines Wachstum vom Bodenbereich der Grabenstruktur aus nicht behindert, zumal diese Beschichtung auf"die""Seitehwähde "der' "Grabenstruktur- begrenz-t werden kann. Ebenso kann kubisches SiC an der Innenseite der komplementär leitenden Schicht eingebracht sein.
Vorzugsweise weist das Halbleiterbauelement eine Randstruktur mit mindestens einem Randgraben als Randabschluss auf. Von dem Randgraben ist mindestens eine komplementär dotierte Randkompensationszone einer Grabenwand entlang dem Rand des
Halbleiterbauelements vorgesehen, die floatend sein kann. Dazu weist der angrenzende Graben zum Rand des Halbleiterbauelements hin monokristallin gewachsenes Halbleitermaterial auf. Dieses Halbleitermaterial weist seinerseits eine Rand- kontur auf, die durch Ätzung der im Randgraben aufgewachsenen Epitaxieschicht eine gekrümmte Kontur bildet. Diese gekrümmte Kontur erstreckt sich von der Oberseite des Halbleiterkörpers
vorzugsweise bis in das Substrat im Bereich des monokristallinen Halbleitermaterials hinein.
Auf der Halbleiterschicht mit einer derartigen Kontur ist ei- ne Randpassivierungsschicht angeordnet. Eine derartige Randstruktur kann im Prinzip im Rahmen der Herstellung der Driftstrecke realisiert werden, wobei lediglich die oben beschrie- bene Ätzung im Randbereich und die Randpassivierungsschicht zusätzlich hinzukommen. Die Abscheidung und Strukturierung der Randpassivierungsschicht kann wiederum mit dem Aufbringen einer entsprechenden Passivierungsschicht auf das Halbleiterbauelemente abgestimmt werden. Somit ergeben sich für die Herstellung einer derartigen Randstruktur nur geringe zusätzliche Kosten und Fertigungsrisiken. Lediglich wenn, wie oben erwähnt, die Sperrfestigkeit in der Driftstrecke zur Erhöhung der Avalanchefestigkeit mittels einer Protonenimplantation geringfügig eingeschränkt wird, und die Randkompensationszone .durch—eine entsprechend vorbereitete Maskierung vor einer derartigen Protonenimplantation geschützt wird, kann die vol- Ie theoretische Sperrspannung im Randbereich aufrecht erhalten werden.
Vorzugsweise weist die Randpassivierungsschicht ein SiO2, ein Si3N4, ein DLC (diamand like carbon) , ein thermisch aufge- wachsenes Oxid und/oder ein SiC auf. Entscheidend für das Material der Randpassivierungsschicht ist seine spezifische Sperrfähigkeit, um sicherzustellen, dass beim Anliegen von Sperrspannungen keine Kurzschlüsse und/oder Kriechströme über die Randstruktur des Halbleiterbauelements möglich sind. Eine derartige Randstruktur ist auch von Vorteil, wenn das Halbleiterbauelement keine Ladungskompensationszonen in der Driftstrecke aufweist. In dem Fall wird die Randstruktur mit
einem Randgraben ausgestattet, der eine Randkompensationszone mit Randkonturpassivierung aufweist, die floatend sein kann.
Ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein hochdotierter Halbleiterwafer eines ersten oder eines komplementären Leitungstyps mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneter Halbleiterbauelementpositionen als Substrat für einen Halbleiterkörper bereitgestellt. Auf die- sen Halbleiterwafer wird dann eine Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps als Ausgangsmaterial für einen ersten Driftzonentyp aufgewachsen. In diese aufgewachsene Epitaxieschicht werden Grabenstrukturen in den Halbleiterbauelementpositionen des Halbleiterwafers eingebracht. Anschließend werden die Grabenstrukturwände mittels einer Dotierstoffschicht eines komplementären Leitungstyps für Ladungskompensationszonen dotiert. Danach erfolgt ein anisotropes Freiätzen des Bodenbereichs der G-rabe-nst-ruktur -und der Oberseiten der ersten- • ■ - - Driftzonentypen .
Nach dem anisotropen Freiätzen folgt ein Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps in der Grabenstruktur als Ausgangsmaterial für einen zweiten Driftzonentyp. Da bei diesem Aufwachsen auch auf der Obersei- te der Mesastrukturen zwischen den Grabenstrukturen eine Epitaxieschicht aufwächst, folgt nun ein Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers bis zu den aufgewachsenen Driftzonentypen zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite und mit einer Driftstrecke, die zwei alternierend angeordnete Driftzonentypen des ersten Leitungstyps aufweist. Ein erster Driftzonentyp weist auf einem monokristallinen Substrat monokristallines Halbleitermaterial auf und ein zweiter Driftzonentyp umfasst monokristallines Halbleitermaterial in einer
Grabenstruktur mit komplementär dotierten Wänden, wobei die komplementär dotierten Wände die Ladungskompensationszonen des Halbleiterbauelements darstellen.
Nach der Fertigstellung der Driftstrecken in den Halbleiterbauelementpositionen folgt auf dem Halbleiterwafer das Herstellen von Oberseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung der Halbleiterbauelemente. Anschließend kann der Halbleiterwafer in einzelne Halbleiterbauelemente aufgetrennt werden.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass insbesondere für vertikale Halbleiterbauelemente kein aufeinander Abscheiden von einer Mehrzahl von Epitaxieschichten erforderlich ist. Ferner kann mit diesem Verfahren auf das Herstellen von Implantationsmasken und die nachfolgenden Photolithographien und Implantationen für die Ladungskompensationszellen üblicher Haϊbleiterbauelemente verzichtet werden."' Auß-erdem -hat das-- - ■ - Verfahren den Vorteil, dass die aufgewachsene Epitaxieschicht optimal genutzt wird, da selbst die Gräben der Grabenstruktur für die Driftstrecke als zweiter Driftzonentyp eingesetzt werden können. Das ist bei allen bisherigen Verfahren weder vorgesehen, noch durchführbar.
Schließlich hat das Verfahren den Vorteil, dass lediglich ein begrenzter Bereich der Grabenwände für die Ausbildung von Ladungskompensationszonen eingesetzt wird. Durch entsprechende zusätzliche Strukturierungsmaßnahmen können sogar für vertikale Halbleiterbauelemente mit dem anisotropen Freiätzen des Bodenbereichs der Grabenstruktur oder durch einen zusätzlichen Ätzschritt Ladungskompensationszonen in den Grabenwänden auf einzelfloatende Ladungskompensationssäulen beschränkt
werden, womit eine zusätzliche Fläche für die Driftstrecke zur Verfügung steht.
Ina Vergleich zu dem Herstellungsverfahren, wie es aus der Pa- tentschrift DE 101 32 136 Cl bekannt ist, können mit diesem Verfahren sehr dünne Ladungskompensationszonen realisiert werden, was zu einem besseren Durchlasswiderstand bei gleicher Spannungsfestigkeit führt. In den Ladungskompensationszonen wird die nötige Kompensationsladung bereitgehalten, al- so maximal die doppelte Durchbruchsladung in lateraler Richtung, damit die Ladung im Sperrfall vollständig ausgeräumt werden kann. Da die Kompensationszonen nicht ausdiffundiert werden müssen, wie das in der Patentschrift DE 101 32 136 Cl erforderlich ist, um eine durchgehende Kompensationssäule zu bilden, können sehr schmal ausgeführte Ladungskompensations- zonenstreifen und/oder Ladungskompensationszonensäulen hergestellt werden. Im Vergleich zum heutigen CoolMOS stehen also . höhere Flächenanteile- durch- den ersten-und zweiten Drif-tzel- lentyp für den Stromtransport zur Verfügung, was bei gleicher Dotierung in den Driftzellentypen bereits zu einem reduzierten Produkt aus Durchlasswiderstand x Querschnittsfläche (R0n x A) der Driftzellen führt.
Außerdem wirken sich die Photolack-Toleranzen der maskieren- den Grabenstruktur-Photolacktechnik bei Verwendung eines
Streifenlayouts nicht auf den Kompensationsgrad aus. Eine Abweichung des Lack- bzw. Graben-Ätzmaßes führt lediglich dazu, dass eine Kompensationszone zum linken Nachbarn einen etwas größeren Abstand aufweist als zum rechten Nachbarn. Das kann ' einen leichten Einfluss auf die Ausgangs- und die Rückwirkungskapazität des Halbleiterbauelementes haben, doch nicht auf die Ladungsträgerkompensation. Somit wirkt sich in vorteilhafter Weise die Photolithographie nicht begrenzend auf
die Reduktion der Strukturgrößen, insbesondere auf die Reduktion der Breite der Ladungskompensationszonen aus. Eine Limitierung ergibt sich durch den Flächenbedarf der Driftstrecke selbst. Ebenfalls hat die Form des Grabens bzw. seine Brei- tenvariation in die Tiefe kaum Auswirkung auf den Kompensationsgrad.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt in Bezug auf die Toleranzen ergibt sich bei Betrachtung der Dicken- und Dotierungsschwan- kungen der Epitaxieabscheidung. Bei dem Epitaxiewachstum für herkömmliche Ladungskompensations-Halbleiterbauelemente muss mit Schwankungen von +/- 10% der abgeschiedenen Dosis (Dicke x Dotierstoffkonzentration) gerechnet werden, was bedeutet, dass dies über einen genügend kleinen Abstand der Ladungskom- pensationszonen oder entsprechend eine niedrigere Maximaldotierung vorzuhalten ist.
■ In einem-bevorzugten -Durchfü-h-rungsbeispiel- des - Verfahrens -- wird vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Lei- tungstyps auf dem Halbleiterwafer eine schwachdotierte Sockelepitaxieschicht des ersten Leitungstyps aufgewachsen. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass durch die Sockelepitaxie die Avalanche-Festigkeit erhöht wird. Da die Grabentiefe unmittelbar auf die Ladungskompensation im Bereich der So- ckelepitaxie einwirkt, ist es von Vorteil, Tiefenschwankungen der Grabenätzung genau zu kontrollieren, um sicherzustellen, das in jedem Fall die Sockelepitaxie bei der Grabenstrukturätzung erreicht wird. Dieses kann fertigungstechnisch durch eine interferometrische in-situ-Messung der Grabentiefe er- folgen, oder durch entsprechende Hilfsschichten, z. B. für die Endpunktkontrolle der Ätzung ermöglicht werden.
Wird auf die Sockelepitaxie verzichtet, so kann eine nachfolgende Grabenätzung bis in das hochdotierte Substrat hinein erfolgen. Der Anteil des komplementär leitenden Gebietes der Ladungskompensationszonen, welcher sich in dem Substrat dann befindet, ist für die Ladungskompensation unerheblich. Bedeutsam ist lediglich der Anteil der Ladungskompensationszonen, welcher in der Epitaxieschicht eingebettet liegt und durch die Epitaxieschichtdicke vorgegeben ist. Schwankungen der Grabentiefe haben in diesem Fall einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Ladungsträgerkompensation. Jedoch ist eine geringe Erhöhung im Durchlasswiderstand möglich, da der zweite Driftzonentyp dann in das hochdotierte n-Gebiet des Substrats reicht.
In einer weiteren bevorzugen Durchführung des Verfahrens wird vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps für den ersten Diffusionszonentyp auf dem Halbleiterwa- f-er bzw.- -auf der- Sockelepitaxieschicht e-ine strukturierte -
Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Gräben epitaxial aufgebracht. Diese Hilfsschicht ermöglicht einen Ätzstopp o- der eine Ätz-Endpunktkontrolle und weist vorzugsweise SixGey mit x > y oder SixGeyCz mit x > y und x > z auf. Da sowohl Germanium als auch Kohlenstoff vorzugsweise substitutionell in das Siliziumgitter eingebaut werden, stören sie nicht we- sentlich das epitaxiale Wachstum eines monokristallinen Halbleiterbereichs auf dem Halbleiterwafer .
Die Hilfsschichten bilden jedoch beim Ätzen in die aufgewachsene Epitaxieschicht einen Ätzstopp oder eine Endmarkierung, bei der sich das Ätzen der Gräben bei einem Nassätzprozess verlangsamen kann. Bei einem Trockenätzprozess in einem Plasma können beim Erreichen der Grabentiefe die auftretenden zerstäubten Germanium- und Kohlenstoffionen im Plasma detek-
tiert werden, und ein entsprechender Ätzstopp des Trockenätzverfahrens kann veranlasst werden. Somit ist es bei dieser Verfahrensvariante möglich, eine sehr präzise Grabentiefe zu erreichen. Dazu ist die Zusammensetzung der strukturierten Hilfsschicht aus SixGeyCz mit vorzugsweise 0,86 ≤ x ≤ 1, y ≤ 0,07 und z ≤ 0,07 von Vorteil, da derart niedrige Konzentrationen von Germanium und/oder Kohlenstoff das monokristalline Wachstum nur geringfügig beeinflussen.
Ein weiterer Aspekt zur Bereitstellung einer Hilfsschicht besteht darin, vor dem Aufwachsen einer Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps auf den Halbleiterwafer bzw. die Sockelepitaxieschicht eine strukturierte Hilfsschicht in Bereichen der zu ätzenden Gräben aufzubringen, die vorzugsweise ein Halbleiteroxid oder eine Halbleiternitridschicht aufweist, wobei die Struktur der Hilfsschicht in den Bereichen der zu ätzenden Gräben in einer derartigen Feinstruktur aufgebracht wird, dass" ein laterales monokristall-ines- Überwachsen der - Feinstruktur ermöglicht wird. Auch hier kann dann der Nach- weis von Sauerstoff oder Stickstoff beim Trockenätzen in einem Plasma zum Ätzstopp bzw. als Signal für die Tiefenkontrolle der Trockenätzung herangezogen werden.
Mit einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird vorgesehen, dass zum Einbringen der Grabenstruktur in die E- pitaxieschicht des ersten Leitungstyps eine Ätzmaske auf den Halbleiterwafer mit streifenförmigen Mustern im Bereich der Driftstrecke in den Halbleiterbauelementpositionen photolithographisch aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen der Ätz- maske wird nun in die monokristallin gewachsene Epitaxieschicht die Grabenstruktur mittels einer anisotropen Ätzung eingebracht. Die anisotrope Ätzung sorgt dafür, dass die Grabenstruktur relativ senkrechte, geradlinige Seitenwände auf-
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weist. In manchen Fällen ergeben sich auch tonnenförmige oder konische oder tief hinterschnittene Konturen für den Grabenquerschnitt, wobei diese Konturen die Einbringung und die Wirkungsweise der Ladungskompensationszonen in den Grabenwän- den nicht beeinträchtigen.
Die anisotrope Ätzung kann mit Hilfe einer anisotropen reaktiven Ionenätzung durchgeführt werden. Bei der reaktiven Ionenätzung werden Ionen eingesetzt, die nicht allein nur das Halbleitermaterial im Bereich der Grabenstruktur zerstäuben, sondern gleichzeitig durch eine chemische Reaktion mit dem Epitaxiematerial eine höhere Ätzrate in einer bevorzugten Richtung erreichen. Anstelle einer reaktiven Ionenätzung ist auch eine gerichtete Plasmaätzung möglich, bei der das Mate- rial der Grabenstruktur lediglich zerstäubt wird. Von besonderem Vorteil ist bei diesem Trockenätzverfahren, dass die Ätzung mit Endpunktdetektion durchgeführt werden kann. Diese Endpunktdeteiction ist durch 'die"oben "erwähnten" Hllfsschichten möglich, weil beim Ätzen in Reaktionsgas dann die freigesetz- ten Ionen der Hilfsschicht auftreten, so dass ein Ätzstopp fertigungstechnisch ausgelöst werden kann. Nach diesem selektiven Ätzen wird die Maske entfernt, sodass nun auf der Oberseite des Halbleiterwafers der erste Driftzonentyp vorliegt, der in Form von Mesastrukturen, die auch "Mesen" genannt wer- den, zwischen den eingebrachten Gräben vorliegt.
Für die Grabenätzung sind keine extrem hohen Aspektverhältnisse erforderlich, so dass das Verfahren über eine Reduktion der Grabenstrukturbreite eine weitere Möglichkeit der Minia- turisierung eröffnet. Die Grabenätzung wird vorzugsweise für einen Flankenwinkel von 90 Grad eingestellt. Es ist jedoch bekannt, dass sich tonnenförmige oder bauchige Querschnitte der Gräben ausbilden können. Diese bauchigen Gräben bleiben
auch nach dem isotropen Aufwachsen des komplementären Halbleitermaterials auf die Grabenwände erhalten und bewirken, dass die folgende anisotrope Ätzung so gut wie kein komplementär leitendes Halbleitermaterial von den Grabenwänden bzw. 5 den nahezu vertikalen Flanken entfernen kann. Demnach kontrolliert nicht der Flankenwinkel die Kompensationsladung an den vertikalen Flanken, sondern hauptsächlich die Genauigkeit der aufgewachsenen oder eindiffundierten Schichtdicke in den vertikalen Flanken. Dieses ist ein deutlicher Vorteil gegen- 10 über bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von Ladungs- kompensationszonen in Driftstrecken.
Vor dem Aufbringen der Ätzmaske kann zur Erhöhung der Verfahrenssicherheit, eine strukturierte Endpunktkontrollschicht
15 für die Rückätzung nach Epi-Auffüllung der geätzten Gräben aufgebracht werden. Diese Endpunktkontrollschicht wird auf die monokristalline Epitaxieschicht in den Bereichen aufge-
' "" ""bracht, die^in Form -von Mesen-na-ch -dem -Grabenätzen- -stehen - - bleiben. Die Endpunktkontrollschicht kann vorzugsweise, genau
20 so wie die oben erwähnte Hilfsschicht, aus einem Halbleiteroxid und/oder einem Halbleiternitrid und/oder einer SixGeyCz- Schicht mit x > y und x > z, vorzugsweise mit Sio,86 Geo,o7 Co,07 aufgebracht werden, wobei diese Endpunktkontrollschicht nur die Oberseiten des ersten Diffusionszonentyps bedeckt.
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Außerdem kann das Verfahren dadurch sicherer werden, wenn nach dem Einbringen der Grabenstruktur und vor dem Dotieren der Grabenwände die Oberflächen der Grabenstruktur chemisch gereinigt werden. Dazu können die Oberflächen des Halbleiter-
30 wafers auch oxidiert werden und anschließend die Oxidschicht durch entsprechende Nassätzungen weggeätzt werden. Schließlich ist es auch möglich, einen Wasserstoff-Temperschritt
durchzuführen, der die Grabenwände vorteilhafterweise glättet.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens wird zunächst eine Epitaxieschicht auf dem Halbleitersubstrat mit einer schwachen Dotierung des ersten Leitungstyps abgeschieden. Diese schwache Dotierung der Mesen kann nach dem Einbringen der Grabenstruktur z. B. durch Dotierung aus der Gasphase zur Erhöhung der Konzentration des ersten Leitungstyps in den Mesen auf einen vorgegebenen Wert führen. Dieses hat den Vorteil, dass unabhängig von einzelnen Leistungshalbleitertypen eine einheitlich schwachdotierte Epitaxieschicht auf entsprechend einheitlich hochdotierten Wafern vorgegeben werden kann, und die eigentliche mittelhohe Konzentration in den ersten Diffu- sionszonentypen erst nach Einbringen der Gräben endgültig eingestellt und angepasst wird. Dieses vermindert auch die Kosten der Lagerhaltung und vereinfacht die Bevorratung von entsprechenden Haϊbleiterwafersubstffaten mit bereits aufgebrachter schwachdotierter Epitaxieschicht.
Vorzugsweise kann zum Dotieren der Grabenstrukturwände mittels einer DotierstoffSchicht zu Ladungskompensationszonen eine relativ hochdotierte, komplementär leitende, monokristalline Schicht epitaxial auf dem Halbleiterwafer aufgewach- sen werden. In diesem Fall ist der gesamte Halbleiterwafer mit einer entsprechend dünnen komplementär relativ hochdotierten Schicht belegt, so dass anschließend sowohl der Bodenbereich der Gräben, als auch der Oberseitenbereich der Mesen von dieser hochdotierten, komplementär leitenden Schicht befreit werden müssen. Dazu sind sowohl die Hilfsschichten, wie sie unmittelbar auf das Substrat aufgebracht wurden, als auch die Endpunktkontrollschichten auf den Mesen von Vorteil, da mit deren Unterstützung eine sehr genaue und präzise Ent-
fernung der epitaktisch aufgewachsenen, komplementär hochdotierten Schicht im Bodenbereich, als auch im Oberseitenbereich der Mesen entfernt werden kann.
Schwankungen bei einer anisotropen Rückätzung der komplementär relativ hochdotierten Schicht im Bodenbereich haben einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Ladungskompensation und auf den Durchlasswiderstand, weil die Dicke der zu ätzenden komplementär leitenden Schicht in der Größenordnung von bei- spielsweise 500 nm Dicke liegt. Demnach fallen zu erwartende Tiefenschwankungen im Bereich von 50 bis 100 nm im Vergleich zur Driftstreckenlänge, die bei beispielsweise 40 μm liegt und der Grabenstrukturtiefe entspricht, nicht mehr ins Gewicht .
Eine hochdotierte, komplementär leitende monokristalline Schicht zum Dotieren der Grabenstrukturwände zu Ladungskom- pensationszonen wird mit einer Dicke "d zwischen "" 100 nm ≤ d ≤ 1000 nm, vorzugsweise 200 nm < d ≤ 600 nm auf die Grabenstruktur aufgewachsen. Damit können relativ präzise sowohl die Konzentration der Störstellen in den Grabenstrukturwänden eingestellt werden, als auch die vorgesehenen Dicken für die Ladungskompensationszonen eingehalten werden.
Eine alternative Möglichkeit zu der epitaktischen Abscheidung von Ladungskompensationszonen auf den Grabenstrukturwänden ist das Dotieren der Grabenstrukturwände zu Ladungskompensationszonen mit Hilfe einer dotierten Glasschicht, die als eine Diffusionsvorbelegung auf die Flächen der Grabenstruktur abgeschieden wird, und nach dem Diffusionsvorbelegungsschritt wird die Glasschicht vollständig entfernt. Zum Entfernen der Glasschicht können isotrope, zu Silizium selektive Ätzverfah- ren eingesetzt werden, während zum Entfernen der dotierten
Bodenschicht der Grabenstruktur sowie der dotierten Oberseite der Mesen anisotrope Ätzverfahren eingesetzt werden, um deutlich die Ladungskompensationszonen in den Grabenwänden wei- testgehend zu erhalten.
Neben der Möglichkeit der Abscheidung von Glasschichten zur Herstellung von Ladungskompensationszonen in den Grabenstrukturwänden besteht auch die Möglichkeit einer Dotierung der Grabenstrukturwände aus der Gasphase mit anschließender Nach- diffusion. Schließlich ist es möglich, zur Herstellung von Ladungskompensationszonen eine Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition) des Dotierstoffs auf den Flächen der Grabenstruktur mit anschließender teilweiser oder vollständiger Eindiffusion der abgeschiedenen Atomlagen in die Wände durch- zuführen.
Mit weiteren bevorzugten Varianten des Verfahrens kann ge- wahrl.eis.tet. werden.,., dass- -beim- epitaxia-len Abscheiden von monokristallinem Halbleitermaterial in den Gräben eine Ausdif- fusion der eingebrachten Dotierstoffe aus den Grabenwänden behindert wird. Dazu ist es vorgesehen, nach dem Dotieren der Grabenstrukturwände zu Ladungskompensationszonen diffusions- hemmende, monokristalline Hilfsschichten auf den Flächen der Grabenstruktur aufzubringen, die in Aufbau und Zusammenset- zung den als Hilfsschichten oben bereits im Detail diskutierten Materialien entsprechen oder einfach eine n-dotierte Si- Schutzschicht darstellen. Das besondere der Hilfsschichten ist es, dass sie das monokristalline Wachstum in den Gräben für einen zweiten Driftzellentyp nicht behindern.
Eine darüber hinaus gehende Variante, eine diffusionshemmende Schicht auf der Oberseite der Grabenstruktur anzubringen, besteht darin, ein amorphes Silizium oder ein Siliziumkarbid,
vorzugsweise ein kubisches Siliziumcarbid oder ein Siliziumgermanium auf den Flächen der Grabenstruktur in einer Dicke 10 nm ≤ d ≤ 300 nm, vorzugsweise 50 nm ≤ d ≤ 150 nm abzuscheiden oder unterhalb der komplementär leitenden Schicht 5 einzubringen. Das amorphe Silizium, das bereits bei Temperaturen unter 350 0C auf den Grabenstrukturwänden isotrop abgeschieden werden kann, hat den Vorteil, dass es bereits bei 700 0C, also noch vor der Temperatur, die erforderlich ist, um monokristallines Silizium aus der Gasphase in den Graben- 10 Strukturen aufzuwachsen, selber in die kristalline Form des Siliziums übergeht.
Dabei wird davon ausgegangen, dass aufgrund dieser minimalen Dicke zwischen 10 nm ≤ d ≤ 300 nm die amorphe Siliziumschicht
15 vollständig und einheitlich in eine monokristalline Siliziumschicht umgewandelt wird, die dann als Keimschicht für das Aufwachsen von monokristallinem Halbleitermaterial in der
- - - Gr-abenst-rukt-ur für -den zweiten -Dr-iftzellentyp -zur Verfügung steht. Diese diffusionshemmende Schicht ist lediglich für die
20 Grabenstrukturwände von Nutzen, um ein Ausdiffundieren der in die Wandstruktur eingebrachten Störstellen zu verhindern. Somit ist es sinnvoll, sowohl den Boden der Grabenstruktur, als auch die Oberseiten der Mesen von diesem Material durch ein anisotropes Trockenätzverfahren zu befreien. Die möglichen
25 anisotropen Trockenätzverfahren wurden bereits oben ausführlich diskutiert und werden hier nicht erneut erörtert.
In einem bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens werden vor dem Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxie-
30 schicht des ersten Leitungstyps in der Grabenstruktur die
Grabenstrukturwände derart geätzt, dass sie eine Schräge aufweisen, so dass die Breite der Grabenstruktur an der Oberseite des Halbleiterwafers größer ist, als im Bodenbereich der
Grabenstruktur. Dieser trapezförmige Querschnitt der Grabenstruktur hat den Vorteil, dass beim Aufwachsen des monokristallinen mitteldotierten Halbleitermaterials für den zweiten Driftzonentyp ein vorzeitiger Verschluss der Oberseite der Grabenstruktur verhindert wird.
Weiterhin werden vorzugsweise vor dem Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps (n) in der Grabenstruktur die Grabenwände (14, 15) derart geätzt, dass sie eine Wölbung aufweisen, so dass die Breite an der Oberseite (18) des Halbleiterkörpers (4) ungefähr gleich zu der Breite im Bodenbereich (30) der Grabenstruktur (13) ist und die Grabenstruktur dabei in etwa tonnenförmig hinterschnitten ist. Daher wird in vorteilhafter Weise das monokri- stalline Wachstum gestoppt, bevor die Grabenbreite der Oberseite geschlossen ist, so dass der tonnenförmige Mittenbereich für weitere Prozessschritte zugänglich bleibt.
Darüber hinaus werden vorzugsweise vor dem Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht (22) des ersten Leitungstyps (n) in der Grabenstruktur (13) die Grabenwände (14, 15) derart geätzt, dass sie eine Schräge aufweisen, so dass die Breite der Grabenstruktur (13) an der Oberseite (18) des Halbleiterkörpers (4) kleiner als im Bodenbereich (30) der Grabenstruktur (13) wird. Diese Verfahrensvariante hat den
Vorteil, dass vor dem Zuwachsen der Grabenstruktur an der O- berseite das monokristalline Wachstum gestoppt werden kann, und der breitere Bodenbereich der Grabenstruktur für weitere Prozessschritte zugänglich bleibt.
Schließlich ist es vorgesehen, dass die erste Epitaxie oder zum Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps in der Grabenstruktur als Ausgangsmaterial
für einen zweiten Driftzonentyp das Epitaxiematerial mit Kohlenstoff bis zu einer Konzentration [C] mit [C] ≤ 1 x 1020 cm" 3 oder einem gleichwirkenden Element dotiert wird. Mit dieser Verfahrensvariante wird erreicht, dass die Epitaxieschicht selbst, welche die Grabenstruktur auffüllt, als diffusions- hemmende Schicht gegen eine Ausdiffusion von Störstellen aus den komplementär hochdotierten Grabenwänden wirkt.
Schließlich ist es vorgesehen, in einem Verfahrensbeispiel beim Aufwachsen einer mitteldotierten Epitaxieschicht des ersten Leitungstyps in der Grabenstruktur als Ausgangsmaterial für einen zweiten Driftzonentyp die Grabenstruktur nicht vollständig mit Epitaxiematerial zu befüllen und eine Oxidauffüllung als Abschluss der Grabenstruktur vorzusehen. Das hat den Vorteil, dass der kritische Abschluss des Auffüllens der Grabenstruktur von einem Oxidmaterial abhängt, wobei Hohlräume, die bei dieser Oxidauffüllung entstehen, sich we- niger- kritisch auf- die Eigenschaften des- Leistungshalbleiterbauteils auswirken, als wenn im oberen Grabenstrukturbereich Lunker oder Hohlräume in dem monokristallinen Halbleitermaterial auftreten. Dabei hat es sich bewährt, diese Verfahrensvariante vorzugsweise für Grabenstrukturen mit tonnenförmigem und/oder sich zur Grabentiefe hin vergrößerndem Querschnitt der Gräben einzusetzen.
Alternativ kann die Grabenstruktur mit eigenleitendem Polysi- lizium aufgefüllt sein. In diesem Fall wird ein Bauelement verwirklicht, das eine hochohmige Verbindung zwischen dem Source- und dem Draingebiet ermöglicht, so dass die oben er- wähnten Vorteile voll zur Geltung kommen.
Nach dem Auffüllen der Grabenstruktur liegt ein Halbleiterwa- fer mit einer extrem unebenen Oberseite vor. Diese Unebenheit
der Oberseite ist jedoch für die Weiterverarbeitung zu einem Halbleiterbauelement nicht von Vorteil. Vielmehr wird nun ein Einebnungsschritt der Oberseite des Halbleiterwafers zu einem Halbleiterkörper mit eingeebneter Oberseite und mit einer Rückseite durchgeführt. Dazu wird vorzugsweise zunächst eine nivellierende Photolackschicht auf die unebene Oberseite aufgebracht. Bei der Auswahl des Materials der Photolackschicht wird darauf geachtet, dass der Selektivitätsfaktor gegenüber dem Halbleitermaterial der Driftzellentypen in Verbindung mit den gewählten Ätz- bzw. Abtragverfahren nahezu 1 ist. Das heißt, dass der Abtrag beim Einebnen der nivellierten Oberseite aus einer Photolackschicht vollkommen gleichförmig und gleichmäßig in den Abtrag des unebenen Halbleitermaterials übergehen kann. Dabei wird beim Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers bis zu den aufgewachsenen Driftzonentypen, sowohl das Photolackmaterial, als auch das Epitaxiematerial entsprechend rückgeätzt. Ein alternatives Verfahren wäre CMP .(chemical-.mechanical- polishing)-. -- • _ ._ _ . _.
In einem weiteren bevorzugten Durchführungsbeispiel des Verfahrens, wird nach dem Einebnen der Oberseite des Halbleiterwafers dieser mit einer z. B. im Randbereich maskierten Protonenimplantation von der eingeebneten Oberseite aus beaufschlagt. Diese Protonenimplantation kann auch von der Rück- seite des Halbleiterwafers aus durchgeführt werden. Nach dem Einbringen der Protonenimplantation wird ein Ausheilen des Halbleiterwafers bei Temperaturen T mit 350 0C < T < 500 0C durchgeführt. Diese Protonenimplantation liefert insbesondere im Driftstreckenbereich der beiden Driftzellentypen den Vor- teil, dass die Avalanchefestigkeit des gesamten Halbleiterbauelements verbessert wird. Die Protonenimplantation kann dabei nicht nur unmittelbar nach dem Einebnen, sondern auch später im Herstellprozess erfolgen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt einen schematisehen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 2 bis 12 zeigen Prinzipskizzen zu einzelnen Verfah- rensschritten, bei der Herstellung des Halbleiterbauelements, gemäß Figur 1/
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein hochdotiertes Substrat nach Aufbringen einer Sockelepitaxieschicht und einer Epitaxieschicht für einen ersten Driftzonentyp;
,Figur,3_ . z.eigt einen schematischen Querschnitt dur-ch ein hochdotiertes Substrat nach Aufbringen einer Sockelepitaxieschicht und einer strukturierten Hilfs- schicht ;
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das hochdotierte Substrat gemäß Figur 2, nach Einbringen einer Grabenstruktur in die Epitaxieschicht;
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das hochdotierte Substrat gemäß Figur 4, nach Aufwachsen einer komplementär relativ hochdotierten monokristallinen Epitaxieschicht auf den Oberseiten der Grabenstruktur;
Figur 6 zeigt ein Schema für die Herstellung eines zweiten Driftzonentyps aus monokristallinen Halbleitermaterial in einer Grabenstruktur mit komplementär dotierten Grabenstrukturwänden, die Ladungskompensa- tionszonen bilden, mit drei Varianten zur Herstellung von komplementär dotierten Grabenstrukturwänden;
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat gemäß Figur 5, nach Freiätzen des Bodenbereichs der Grabenstruktur und der Oberseite der me- saförmigen ersten Driftzonentypen;
Figur 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat gemäß Figur 7, nach Aufwachsen eines monokristallinen Halbleitermaterials in den Grabenstrukturen für einen zweiten Driftzonentyp;
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat gemäß Figur 8, nach Nivellieren der Oberseite des Halbleiterkörpers mittels einer Photolackschicht;
Figur 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat gemäß Figur 9, nach Rückätzen der Oberseite des Halbleiterkörpers;
Figur 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das
Substrat mit einer Variante des Halbleiterkörpers und Rückätzen der Oberseite;
Figur 12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß Figur 1;
Figuren 13 bis 20 zeigen Prinzipskizzen zu einzelnen Verfahrensschritten, bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein hochdotiertes Substrat nach Aufbringen einer Epitaxieschicht für einen ersten Driftzellentyp;
Figur 14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das
Substrat gemäß Figur 13, nach Einbringen einer Grabenstruktur und Aufbringen einer hochdotierten, komplementär leitenden Schicht in den Grabenstrukturwänden für Ladungskompensationszonen;
Figur 15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das
_Substrat gemäß Figur 1.4, nach -Aufbringen, einer dif- fusionshemmenden Schicht in der Grabenstruktur;
Figur 16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das
Substrat gemäß Figur 15, nach Aufbringen einer Endpunktkontrollschicht auf den Oberseiten der Mesen und Freilegen des Grabenbodens;
Figur 17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das
Substrat gemäß Figur 16, nach Aufwachsen eines monokristallinen Halbleitermaterials in der Grabenstruktur für einen zweiten Driftzonentyp;
Figur 18 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das
Substrat gemäß Figur 17, nach Rückätzen der Oberseite des Halbleiterkörpers;
Figur 19 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figuren 20 bis 26 zeigen schematische Querschnitte durch den Randbereich eines Halbleiterbauelements beim Herstellen einer Randstruktur;
Figur 20 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den
Randbereich des Halbleiterbauelements mit Substrat, Sockelepitaxieschicht und Epitaxieschicht;
Figur 21 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich gemäß Figur 20, nach Einbringen einer
Grabenstruktur mit einem Randgraben;
Fig.ur 22 zeigt einen -scherαatxschen- .Querschnitt .durch- den . Randbereich gemäß Figur 21, nach Einbringen einer komplementär leitenden Schicht und einer diffusi- onshemmenden Schicht auf den Grabenwänden;
Figur 23 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den
Randbereich der Figur 22, nach Auffüllen der Gra- benstruktur mit monokristallinem Halbleitermaterial für einen zweiten Driftzonentyp und für eine Randstruktur;
Figur 24 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich gemäß Figur 23, nach Rückätzung der
Oberseite des Halbleiterkörpers und Freilegen einer Randkontur;
Figur 25 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den
Randbereich gemäß Figur 24, nach Aufbringen einer Randpassivierungsschicht;
Figur 26 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine alternative Randstruktur.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 1, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauelement 1 weist in einem Halbleiterkörper 4 eine Driftstrecke 5 zwischen zwei Elektroden 6 und 7 auf. Die Driftstrecke 5 zwischen den Elektroden 6 und 7 stellt mit einem ersten Leitungstyp n einen Strompfad zwischen den Elektroden 6 und 7 bereit. Ferner weist die Drift- strecke 5 Ladungskompensationszonen 11 eines komplementären
Leitungstyps p auf, die den Strompfad der Driftstrecke 5 einengen. In der Driftstrecke 5 sind zwei alternierend angeordnete _Driftzonentypen .9 und .10 angeordnet, wobei..ein .erster -- Driftzonentyp 9 auf einem monokristallinen Substrat 12 mono- kristallines Halbleitermaterial aufweist und der zweite
Driftzonentyp 10 weist monokristallines Halbleitermaterial in einer Grabenstruktur 13 mit komplementär dotierten Grabenstrukturwänden 14 und 15 auf, wobei die komplementär dotierten Wände 14 und 15 die Ladungskompensationszonen 11 aufwei- sen.
Das hier dargestellte Halbleiterbauelement 1 ist beispielsweise ein vertikaler Feldeffektleistungstransistor . Die erfindungsgemäße Driftstrecke 5 mit Ladungskompensationsstruk- tur 3 in den Wänden 14 und 15 der mit monokristallinem Halbleitermaterial aufgefüllten Gräben kann jedoch auch für laterale Hochspannungsfeldeffekttransistoren eingesetzt werden. Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Driftstrecke können
auch bipolare Leistungstransistoren ausgestattet sein. In diesem Fall ist die Driftstrecke, nicht wie in Figur 1 gezeigt, auf einem hochdotierten Substrat gleichen Leitungstyps wie die Driftzonen aufgebaut, sondern das hochdotierte Sub- strat ist komplementär leitend zu den Driftzonen dotiert.
Auch bipolare IGBT-Transistoren (Isolated Gate Bipolar Transistors) oder PN~N+~Dioden, sowie Schottky-Dioden können diese Driftstreckenstruktur mit Ladungskompensationszonen 11 in Grabenstrukturwänden 14 und 15 aufweisen.
Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung reicht die Grabenstruktur 13 nicht bis an das hochdotierte Substrat 12 heran, sondern es ist zwischen dem hochdotierten Substrat 12 und der Driftstrecke 5 eine schwachdotierte So- ckelepitaxieschicht angeordnet. Eine derartige Sockelepitaxieschicht dient dazu, die Avalanchefestigkeit zu verbessern. Bei diesem Halbleiterbauelement 1 mit vertikaler Driftstrecke 5 sind in Oberseitennähe--der Oberseite 18 -des Halbleiterkör-- - pers 4, komplementär leitende Bodyzonen 39 angeordnet, die beim Anlegen eines Durchschaltpotentials an eine Gateelektrode 8 mit Ladungsträgern überschwemmt werden, und den Strompfad zwischen der Source-Elektrode 6 und der Drain-Elektrode 7 in den Driftzonen 9 und 10 durchschalten.
Dabei wird durch die äußerst schmalen in den Grabenstrukturwänden 14 und 15 angeordneten Ladungskompensationszonen 11 der Ladungskompensationsstruktur 3 eine erhöhte Störstellenkonzentration in den Driftzonen 9 und 10 zugelassen, welche den Durchlasswiderstand im Durchschaltbetrieb des Halbleiter- bauelements 1 deutlich verringert. Zu einem verminderten
Durchlasswiderstand trägt auch die geringe Querschnittsfläche und damit der geringe Volumenanteil, den die erfindungsgemäße
Ladungskompensationsstruktur 3 im Vergleich zu den Durch- schaltvolumina der Driftzonentypen 9 und 10 darstellt, bei.
Die Figuren 2 bis 12 zeigen Prinzipskizzen zu einzelnen Ver- fahrensschritten bei der Herstellung des Halbleiterbauelements 1 gemäß Figur 1.
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein hochdotiertes Substrat 12 nach Aufbringen einer Sockelepitaxie- schicht 20 auf die Substratoberseite 19 und nach Aufbringen einer weiteren mitteldotierten Epitaxieschicht 17 auf die O- berseite 21 der schwachdotierten Sockelepitaxieschicht 20. Dabei weisen sowohl das hochdotierte Substrat 12, als auch die schwachdotierte Sockelepitaxieschicht 20 und die mittel- dotierte Epitaxieschicht 17 zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung, den gleichen ersten Leitungstyp auf. Wie die nachfol- genden Figuren- zeigen/ -kann-der erste Dri-ftzonentyp aus der mitteldotierten Epitaxieschicht 17 durch Einbringen einer Grabenstruktur konstruiert werden.
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein hochdotiertes Substrat 12 nach Aufbringen einer Sockelepitaxieschicht 20 und einer strukturierten Hilfsschicht 32. Diese Hilfsschicht 32 wird noch vor dem Aufbringen der mitteldotierten Epitaxieschicht 17 auf die Oberseite 21 der Sockelepitaxieschicht 20 aufgebracht, um für das Ätzen einer Grabenstruktur eine Kontrollschicht vorzusehen. Dazu werden in die Kontrollschicht bzw. in die Hilfsschicht Elemente einge- bracht, die bei einem Trockenätzverfahren der Grabenstruktur in dem freigesetzten Material nachweisbar sind. Als Hilfs- schichten können auch Materialien auf der Oberseite 21 der Sockelepitaxieschicht abgeschieden werden, die das monokri-
stalline Wachstum der mitteldotierten Epitaxieschicht 17 nicht weiter stören und eine Ätzstoppschicht darstellen, in der sich der Ätzvorgang deutlich verlangsamt.
Eine derartige Hilfsschicht 32 kann monokristallines Material aufweisen, das SixGeyCz aufweist, wobei x > y und x > z ist, und vorzugsweise eine Zusammensetzung aus Si0,86 Geo,o7 Co,07 vorgesehen ist. Andere Kontroll- oder Ätzstoppschichten können Oxide oder Nitride des Halbleitermaterials in fein struk- turierter Form aufweisen, das heißt, dass die Feinstruktur einer derartigen Hilfsschicht 32 ein laterales, monokristallines Überwachsen der fein strukturierten Hilfsschicht 32 zu- lässt. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, durch selektive Kohlenstoffimplantation in die Oberseite 21 der Sockele- pitaxieschicht 20, eine Hilfsschicht 32 zu erzeugen, die kubisch flächenzentrierte SiC-Cluster aufweist, welche als Endpunktkontrollschicht und/oder Ätzstoppschicht für das Ein- " " bringen der--Grabenstruktur dienen -können-. - - .
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das hochdotierte Substrat 12 gemäß Figur 2, nach Einbringen einer Grabenstruktur 13. Dabei ist die in Figur 3 gezeigte Hilfsschicht im Bodenbereich 30 beim Einbringen der Grabenstruktur 13 gleich mit entfernt worden. Von der in Figur 2 bzw. Figur 3 gezeigten mittelhochdotierten Epitaxieschicht 17 des ersten Leitungstyps n bleiben nach dem Einbringen der Grabenstruktur 13 Mesastrukturen, auch "Mesen" 35 genannt, mit einer Oberseite 34 übrig. Damit ist der erste Driftzonentyp 9 mit einer mittelhohen Dotierung des ersten Leitungstyps n auf dem Sub- strat 12 fertiggestellt. Als nächstes sind nun die komplementär dotierten Ladungskompensationszonen auf den Grabenstrukturwänden 14 und 15 herzustellen.
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das hochdotierte Substrat 12 gemäß Figur 4, nach Aufwachsen einer komplementär hochdotierten, monokristallinen Epitaxieschicht 36 auf den Oberseiten der Grabenstruktur 13, sowie auf der Oberseite 34 der Mesen 35. Diese dünne Epitaxieschicht 36 mit einer Dicke d zwischen 100 nm ≤ d ≤ 1000 nm, vorzugsweise 200 nm < d ≤ 600 nm kann im Bereich der zu bildenden Driftstrecke 5 für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen 1 auf einem Halbleiterwafer aufgebracht werden, zumal sämtliche O- berflächen dieser Struktur von monokristallinem Halbleitermaterial gebildet werden.
In der Ausführungsform, wie sie in Figur 5 gezeigt wird, ist die Dicke d 500 nm. Diese Dicke d definiert auch die Breite bκ der auf den Grabenstrukturwänden 14 und 15 aufgebrachten Ladungskompensationszonen 11. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Höhe h der Mesen 35 der Grabentiefe t der Gra- benstfüktur 13. "Die Wände 1~4 und 15 der Grabenstruktur -13, - die hier geradlinig gezeigt sind, können sich auch schräg nach oben öffnen, so dass die Grabenstruktur 13 im Bereich der Oberseite 34 der Mesen 35 breiter ist, als im Bodenbereich 30. Der Querschnitt der Gräben kann auch tonnenförmig ausgebildet sein; diese unterschiedlichen Ausführungsformen der Wandkontur der Wände 14 und 15 hängen teilweise mit den unterschiedlichen Ätztechniken zusammen. Vorzugsweise wird ein anisotropes Ätzen durch eine entsprechende Ätzmaske hindurch ausgeführt.
Figur 6 zeigt ein Schema für die Herstellung eines zweiten Driftzonentyps aus monokristallinem Halbleitermaterial in einer Grabenstruktur mit komplementär dotierten Grabenstrukturwänden, die Ladungskompensationszonen bilden, mit drei Varianten zur Herstellung von komplementär dotierten Grabenstruk-
turwänden. Diese drei Varianten sind mit den Ziffern 1, 2 und 3 bezeichnet.
Die erste Variante 1 ist ein Aufwachsen einer komplementär leitenden Epitaxieschicht auf die Oberflächen der entstandenen Grabenstruktur nach der Grabenstrukturätzung, wie es bereits in Figur 5 gezeigt ist. Die zweite Variante besteht darin, auf der Grabenstruktur Borsilikatglasabscheidungen vorzusehen. Nach der Abscheidung eines Borsilikatglases wird eine thermische Vorbelegung durchgeführt, die auch als RTP- Vorbelegung ausgeführt werden kann (Rapid Thermal Processing) , was ausreicht, um eine ausreichende Anzahl von Boratomen mit hoher Konzentration in die Grabenstrukturwände eindringen zu lassen. Anschließend wird das Borsilikatglas durch eine Borsilikatglasätzung entfernt.
Eine dritte Variante besteht darin, zunächst Boratomlagen bzw; --Bor—hal-tϊge- Verbindungen---in -Moleküllagen abzuscheiden-, die ebenfalls einer thermischen Vorbelegung unterworfen wer- den. Anschließend wird eine Rückätzung durchgeführt, um lediglich die bei der thermischen Vorbelegung eingedrungene hohe Konzentration an Boratomen in den Grabenstrukturwänden zu belassen. Die dabei entstehende Dicke bzw. Breite der La- dungskompensationszonen in den Grabenstrukturwänden wird durch die Eindringtiefe des Bors in das monokristalline Halbleitermaterial des ersten Driftzonentyps definiert.
Nach dem Einbringen bzw. dem Aufwachsen von Material mit komplementärem Leitungstyp wird durch Ätzen des Grabenbodens so- wie durch Rückätzen der Oberseiten der Mesen die hochdotierte Schicht aus komplementär leitendem Material auf die Grabenstrukturwände begrenzt. Um zu verhindern, dass beim Auffüllen der Grabenstruktur mit monokristallinem Halbleitermaterial
dieses Halbleitermaterial durch Ausdiffusion von komplementären Störstellen aus den Grabenwänden verunreinigt oder dotiert wird, wird in einem weiteren, in Figur β gezeigtem Fertigungsschritt, eine diffusionshemmende Schicht auf den Strukturwänden abgeschieden.
Die diffusionshemmende Schicht kann ein Material aufweisen, wie es bereits oben für die Hilfsschichten erörtert wurde. Außerdem ist es möglich, eine amorphe Siliziumschicht auf den Grabenwänden abzuscheiden, die auch unterhalb der Temperaturen der epitaktischen Abscheidung von monokristallinem Halbleitermaterial sich selbst bei etwa 700 0C in kristallines Material umwandelt, und somit die monokristalline Information überträgt. Ein derartiger, sogenannter Cap-Layer hat den Vor- teil, dass er die Ausdiffusion von Störstellen aus dem Wandbereich behindert, jedoch die Ausbildung und das Aufwachsen von monokristallinem Siliziummaterial von dem Boden der Gra- benstrüktür "ausgehend nicht beeinträchtigt-. Dieser-JLetzte - . Schritt in dem in Figur 6 gezeigten Diagramm, nämlich das Aufwachsen einer n-Epitaxieschicht in der Grabenstruktur liefert den zweiten Driftzonentyp, der zusammen mit dem ersten Driftzonentyp eine Driftstrecke zur Verfügung stellt, die nun abzüglich der äußerst schmalen Kompensationszonen vollständig für den Strompfad in Halbleiterbauelementen zur Verfügung steht.
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat 12 gemäß Figur 5, nach Freiätzen des Bodenbereichs 30 der Grabenstruktur 13 und der Oberseite 34 des mesaförmigen ersten Driftzonentyps 9. Die gestrichelte Linie 40 an den Grabenwänden 14 und 15 in Figur 7 zeigt die oben erwähnten unterschiedlichen Wandbeschichtungen, Rückätzungen und diffu- sionshemmenden Ausführungen der Wandstruktur für das Einbrin-
gen des zweiten Driftzonentyps in die Grabenstrukturen 13. Zusätzlich können die Grabenwände 14 und 15 der Grabenstruktur 13 vor dem Einbringen einer monokristallinen Halbleitermaterialfüllung chemisch gereinigt werden, oder oxidiert und anschließend geätzt oder reduziert werden, und schließlich ist es möglich, die Grabenwände für eine monokristalline Abscheidung durch einen Wasserstoff-Temperschritt zu glätten.
Figur 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Sub- strat 12 gemäß Figur 7, nach Aufwachsen eines monokristallinen Halbleitermaterials in den Grabenstrukturen 13 für einen zweiten Driftzonentyp 10. Dabei werden auch die Oberseiten der Mesen 35 des ersten Driftzonentyps 9 von monokristallinem Material überwachsen, so dass sich eine relativ zerklüftete Oberseite 18 für den Halbleiterkörper 4 ergibt. Diese unebene und zerklüftete Oberseite 18 wird mit nachfolgenden Verfahrensschritten eingeebnet.
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Sub- strat 12 gemäß Figur 8, nach einem Nivellieren der Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4 mittels einer Photolackschicht 37. Photolackschichten können auf einen Halbleiterwafer mit unebener Oberfläche 18 aufgebracht werden, und dabei aufgrund ihrer zähviskosen Eigenschaften Unebenheiten zunächst eineb- nen. Nach dem Aushärten der Photolackschicht können derartige Photolacke eine Selektivität zum Halbleitermaterial von 1 erreichen, so dass beim Rückätzschritt der nivellierende Photolack und das Halbleitermaterial in gleicher Weise abgetragen werden. Anstelle einer Photolackschicht 37 können als pla- narisierende Schichten auch andere Materialien, beispielsweise spin-on-glas verwendet werden.
Figur 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat 12 gemäß Figur 9, nach Rückätzen der Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4. Aufgrund der in Figur 9 gezeigten nivellierten Photolackschicht entsteht nun auch eine rückgeätzte Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4, die vollständig eingeebnet ist. Nach dem Einebnen können nun Oberseitenstrukturen und Rückseitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterkörper zur Fertigstellung des Halbleiterbauelements in entsprechende Halbleiterbauelementpositionen eines Halbleiterwafers einge- bracht werden.
Figur 11 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat 12 nach dem Rückätzen der Oberseite 18 mit einer Variante des Aufbaus des Halbleiterkörpers 4. Bei dieser Variante des Halbleiterkörpers 4 ist auf der Oberseite 19 des hochdotierten Substrats 12 keine Sockelepitaxieschicht vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass ein Epitaxieschritt bei der Ferti- gung. eingespart werden kann.., Dieses._kann für ..einige Halblei- . terbauelementtypen von Vorteil sein, zumindest in Bezug auf die Kosten der Herstellung. Bei einem groben Vergleich des
Fertigungsaufwands für ein Halbleiterbauelement zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Herstellung eines "Cool- MOS" für eine Sperrspannung von etwa 600 V wird das Aufbringen von Epitaxieschichten stark reduziert, insbesondere wird die Anzahl der Photoebenen deutlich vermindert, die einen erheblichen Fertigungs- und Zeitaufwand erfordern.
Figur 12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 1, gemäß Figur 1. Komponenten mit glei- chen Funktionen wie in Figur 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Ein Unterschied zu Figur 1 sind lediglich die gestrichelten Linien 40 in den Bereichen der zweiten Driftzonentypen 10, welche die besonde-
ren Herstellungsvarianten des zweiten Driftzonentyps 10 andeuten.
Figuren 13 bis 20 zeigen Prinzipskizzen zu einzelnen Verfah- rensschritten, bei der Herstellung eines Halbleiterbauelements, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 13 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein hochdotiertes Substrat 12 nach Aufbringen einer Epitaxie- schicht 17 für einen ersten Driftzellentyp. Das mit einer derartigen Epitaxieschicht 17 unmittelbar auf dem hochdotierten Halbleitersubstrat 12 hergestellten Halbleiterbauelement der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Halbleiterbauelement der ersten Ausführungsform dadurch, dass keine Sockelepitaxieschicht vorgesehen ist. Wird folglich auf die Sockelepitaxieschicht, wie in der zweiten Ausführungsform der Erfindung, verzichtet, so kann die Grabenätzung bis in ■das ■ hochdotierte- -Subs-t-r-a-t hinei-n -e-r-fol-gen. Der Anteil der. komplementär dotierten Gebiete für die Ladungskompensations- zonen, welcher sich dann im Substrat befindet, ist für die Ladungskompensation unerheblich.
Relevant für die Ladungskompensation ist lediglich der Teil der Ladungskompensationszone, welcher sich in dem Driftstre- ckengebiet befindet, was durch die Schichtdicke W der Epitaxieschicht 17 vorgegeben ist. Schwankungen der sich dann ergebenden Grabentiefe bei der nachfolgenden Grabenätzung haben in diesem Fall keinen Einfluss auf die Ladungskompensation, jedoch wird die Verbesserung des Durchlasswiderstandes bei starken Tiefenschwankungen geringer ausfallen, da jede zweite Driftzone der Driftstrecke mit Hilfe des zweiten Driftzonentyps realisiert ist und dann bis ins Substrat reicht.
Figur 14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Sub¬ strat 12 gemäß Figur 13, nach Einbringen einer Grabenstruktur 13 und Aufbringen einer hochdotierten, komplementär leitenden Schicht 36 für Ladungskompensationszonen 11 in den Graben- strukturwänden 14 und 15. Die verschiedenen Varianten eine derartige, komplementär leitende Schicht 36 zu erzeugen, wurden bereits oben bei der Herstellung der ersten Ausführungsform im Detail erörtert, was deshalb hier nicht wiederholt wird.
Figur 15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat 12 gemäß Figur 14, nach Aufbringen einer diffusionshem- menden Schicht 23 in der Grabenstruktur 13. Bevor jedoch diese diffusionshemmende Schicht 23 aufgebracht wird, sind so- wohl der Bodenbereich der Grabenstruktur 13, als auch die O- berseite 34 der Mesen 35 von der komplementär und hoch leitenden Schicht 36 befreit worden.
Je nachdem, aus welchem Material die diffusionshemmende Schicht 23 aufgebaut ist, kann diese auf den Oberseiten 34 stehen bleiben, und wird im Bodenbereich 30 selektiv durch eine anisotrope Ätzung entfernt, um sicherzustellen, dass monokristallines Material zum Aufwachsen des zweiten Driftzonentyps als Keimfläche zur Verfügung steht. In dieser Ausfüh- rungsform der Erfindung wird als diffusionshemmende Schicht 23 ein monokristallin aufgewachsenes SixGeyCz eingesetzt, wobei x > y und x > z ist, und die Zusammensetzung vorzugsweise aus Sio,86 Ge0,07 Co, 07 besteht. Dabei sorgt das größere Germaniumatom im Siliziumgitter für eine lokale Expansion und das Kohlenstoffatom für eine lokale Kompression, so dass bei ausgeglichener Anzahl von Germanium- und Kohlenstoffatomen im Siliziumgitter sich die Gitterverzerrungen aufheben und ein
monokristallines Wachstum von Silizium in den Grabenstrukturen 13 nicht behindern.
Figur 16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Sub- strat 12 gemäß Figur 15, nach Aufbringen einer Endpunktkon- trollschicht 33 auf den Oberseiten 34 der Mesen 35 und nach Freilegen des Grabenbodens 30. Damit ist eine Voraussetzung für ein sicheres monokristallines Wachstum einer Driftzone eines zweiten Driftzonentyps geschaffen, zumal der Bodenbe- reich 30 völlig frei von diffusionshemmenden Schichten ist. Gleichzeitig wird durch die Endpunktkontrollschicht 33 auf der Oberseite 34 der Mesen 35 des ersten Driftzonentyps 9 erreicht, dass nach dem Auffüllen der Grabenstruktur 13 ein Rückätzen der Oberfläche 18 des Halbleiterkörpers 4 durch die Endpunktkontrollschicht 33 signalisiert wird.
Figur 17 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Sub- -stra-t 12 gemäß - Figur- 16-, nach- Aufwachsen -eines mono-kri-s-tall-i-- nen Halbleitermaterials in den Grabenstrukturen 13 für einen zweiten Driftzonentyp 10. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Das besondere bei diesem monokristallinen Wachstum vom Bodenbereich 30 der Grabenstruktur 13 aus liegt darin, dass die Seitenwände eine diffusionshemmende Schicht 23 aufweisen, die in ihrer
Grundstruktur ebenfalls monokristallin aufgebaut ist, jedoch als substitutioneile Atome Kohlenstoff und Germanium in einem Anteil bis zu 0,07, das heißt, bis zu 7 Atome Germanium und 7 Atome Kohlenstoff auf 86 Atome Silizium bilden das Gitter.
Wie oben bereits erwähnt, heben sich die durch diese Atome unterschiedlicher Größe gegenüber den Siliziumatomen verursachten Gitterverzerrungen soweit auf, dass das monokristal-
line Wachstum vom Bodenbereich 30 des Grabens aus von den Seitenrändern nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Dazu ist es jedoch auch hilfreich, wie hier geschehen, dass der Bodenbereich 30 völlig von einer diffusionshemmenden Beschichtung durch anisotropes Ätzen freigelegt wird. Es können jedoch auch andere Materialien für die diffusionshemmende Beschichtung 23, wie ein Cap-Layer aus amorphem Silizium oder eine Schicht aus Siliziumkarbid, als diffusionshemmende Schicht auf den Grabenstrukturwänden abgeschieden werden, jedoch kön- nen diese diffusionshemmenden Schichten Gitterversetzungen und andere Kristalldefekte in dem monokristallin aufwachsenden Halbleitermaterial 22 in der Grabenstruktur 13 verursachen.
Der Einsatz unterschiedlicher Materialien für die Endpunktkontrollschicht ist weniger kritisch, zumal das darüber sich bildende Halbleitermaterial bis zur Endpunktkontrollschicht 33 und auch darüber hinaus in- einem nächsten- Verfahrens-- — schritt zurückgeätzt wird. Da die Oberseite 18 des Halblei- terkörpers 4 relativ uneben nach dem Auffüllen der Gräben mit monokristallinem Halbleitermaterial ist und für das Aufbringen der erforderlichen Oberseitenstrukturen für die verschiedenen Halbleiterbauelementtypen nicht geeignet erscheint, wird zunächst die Oberseite 18 mit einer entsprechenden Lack- schicht bzw. Planarisierungsschicht nivelliert und anschließend, wie oben bereits erwähnt dann gleichmäßig zurückgeätzt, wie es die Figur 18 zeigt.
Figur 18 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Sub- strat 12 gemäß Figur 17, nach Rückätzen der Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4. Nach dem Rückätzen der Oberfläche 18 des Halbleiterkörpers 4 liegen nun alternierend nebeneinander angeordnet Diffusionszonen des ersten und zweiten Diffusionszo-
nentyps 9 bzw. 10, wobei sich der Diffusionszonentyp 9 vom Diffusionszonentyp 10 dadurch unterscheidet, dass die Ia- dungskompensationszonenbildenden Wände 14 und 15 zusätzlich eine diffusionshemmende Schicht 23 aufweisen, die der Diffu- sionszonentyp 9 nicht besitzt.
Figur 19 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement 2, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dazu wurden weitere Oberseitenstrukturen und Rück- Seitenstrukturen in und/oder auf dem Halbleiterkörper 4 zur Fertigstellung eingebracht, wobei die zweite Ausführungsform der Erfindung sich von der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 1 dadurch unterscheidet, dass auch die Gate- Struktur für die Gate-Elektrode G in einer Grabenstruktur verwirklicht wird, wobei die Grabentiefe für die Gate- Struktur lediglich geringfügig größer ist, als die Eindringtiefe der schwach komplementär leitenden Bodyzone 39.
Die Figuren 20 bis 26 zeigen schematische Querschnitte durch den Randbereich 38 eines Halbleiterbauelements beim Herstellen einer Randstruktur 24. Skizziert ist ein Randabschluss für ein Bauelement nach Figur 1. Selbstverständlich kann ein solcher Randabschluss auch für Bauelemente nach Figur 19 realisiert werden.
Figur 20 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich 38 des Halbleiterbauelements 1 mit Substrat 12, mit Sockelepitaxieschicht 19 und Epitaxieschicht 17, in welche die Grabenstruktur eingebracht werden soll. Dieses ent- spricht den Darstellungen in den Figuren 2 und 13 und stellt nun den Rand 27 des Halbleiterbauelements dar. Dieser Rand 27 wird mit einem Randgraben 25 versehen.
Figur 21 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich 38 gemäß Figur 20, nach Einbringen einer Grabenstruktur 13 mit einem Randgraben 25. Der Randgraben 25 wird genau so, wie die Grabenstruktur 13 bis zu dem Bodenbereich 30 auf der Oberseite 21 der Sockelepitaxieschicht 20 durch selektives anisotropes Ätzen eingebracht. Insofern benötigt die Ausbildung einer speziellen Randstruktur für derartige Bauteile keine Sonderfertigungsschritte.
Figur 22 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den
Randbereich 38 gemäß Figur 21, nach Einbringen einer komplementär leitenden Schicht 16 in die Grabenwände 14 und 15, und einer diffusionshemmenden Schicht 23 auf die Grabenwände 14 und 15. Somit ist sichergestellt, dass ein Ausdiffundieren der komplementär leitenden Grabenwände 14 und 15 in das monokristallin wachsende Material in der Grabenstruktur 13 und in dem Randgraben 25 behindert wird.
Figur 23 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich 38 der Figur 22, nach Auffüllen der Grabenstruktur mit monokristallinem Halbleitermaterial 22 für einen zweiten Driftzonentyp 10 und gleichzeitigem Auffüllen des Randgrabens 25. Da das Rückätzen durchaus nasschemisch und isotrop erfolgen kann, ist es möglich, den Rückätzschritt zu nutzen, um eine gekrümmte Randkontur im aufgefüllten Randgraben 25 zu erreichen.
Figur 24 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich 38 gemäß Figur 23, nach Rückätzung der Oberseite 18 des Halbleiterkörpers 4 und Freilegen einer Randkontur 28 im Randgraben 25. Um sicherzustellen, dass die Randkontur 24 bis in das hochdotierte Substrat 12 reicht, ist ein weiterer Ätzschritt erforderlich, der nicht gleichzeitig mit dem Gra-
benstrukturätzen durchführbar ist, da die Sockelepitaxieschicht 20 für die Randstruktur 24 entfernt werden muss. Nach diesem zusätzlichen Ätzschritt bis auf die Oberseite 19 des hochdotierten Substrats 12 steht eine Randkontur 28 zur Ver- fügung, die in Zusammenwirken mit der Randkompensationszone 26, die floatend sein kann, derart vorbereitet ist, dass die Randkontur 28 nun passiviert werden kann.
Figur 25 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Randbereich 38 gemäß Figur 24, nach Aufbringen einer Randpas- sivierungsschicht 29. Diese Randpassivierungsschicht 29 sorgt nun dafür, dass keine Kriechströme im Randbereich die Eigenschaften des Halbleiterbauelements beeinflussen. Diese Randpassivierungsschicht 29 kann ein Halbleiteroxid, ein Halblei- ternitrid, ein diamantartiger Kohlenstoff, ein Siliziumkarbid aufweisen, oder falls derartige Passivierungsschichten auch auf dem Halbleiterbauelement erfolgen müssen, können diese herangezogen werden,, um auch die ..Randpassivierungsschicht - zu - bilden. So können auch Polyimidschichten, falls sie für das Halbleiterbauelement erforderlich werden, für diese Passivie- rung eingesetzt werden.
Figur 26 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine alternative Randstruktur 24. Diese unterscheidet sich von der Randstruktur gemäß Figur 25 dadurch, dass keine Sockelepitaxieschicht vorgesehen ist. Außerdem eignet sich diese Randstruktur 24 auch für laterale Hochspannungshalbleiterelemente, die nicht unbedingt nach dem Kompensationsprinzip arbeiten. Bei diesen wird im Randbereich, wie Figur 26 zeigt, ein tiefer Graben erzeugt, der vorzugsweise etwa so tief oder etwas tiefer reicht, als später die Raumladungszone .
Anschließend wird eine komplementär leitende Dotierung an der Grabenoberfläche eingebracht, die entweder über Implantation oder Eindiffusion, oder durch epitaktisches Aufwachsen erzeugt werden kann. Danach wird über diese komplementär do- tierte Schicht eine Schicht des ersten Leitungstyps epitaktisch abgeschieden. Alternativ kann diese Dotierung auch über eine Implantation oder Vorbelegung mit anschließender Eindif- fusion erfolgen. Dazu sollte das komplementär leitende Gebiet elektrisch mit einem niedrigen Potential, wie dem Source- Potential verbunden werden. Die Dotierung der im Randgraben aufgewachsenen Epitaxieschicht ist analog zu einem Kompensationsbauelement gewählt und liegt somit deutlich höher, als die Dotierung der Drift- bzw. der Basiszone im aktiven Bauelementbereich .
Die Dimensionierungen und Strukturierung der Epitaxieschicht gelten auch für den Randbereich, insbesondere muss eine hinreichend, gute Komp.ensa.tion von komplementär -und -mit ersten- Leitungstypen versehenen Schichten im Rand gegeben sein, wo- bei in lateraler Richtung die Durchbruchsladung der jeweiligen n-leitenden und p-leitenden Gebiete nicht überschritten werden sollte. Durch eine erhöhte Konzentration des ersten Leitungstyps in dem Randbereich wird die Sensitivität gegen Oberflächenladungen reduziert, und somit existieren mindere Anforderungen an die Passivierung. Andererseits kann durch den Verzicht einer Protonenimplantation im Randbereich dafür gesorgt werden, dass der Überspannungsschutz im Randbereich gegenüber der Sperrspannungsgröße im Driftstreckenbereich verbessert ist.
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterbauelement (1. Ausführungsform)
2 Halbleiterbauelement (2. Ausführungsform) 3 Ladungskompensationsstruktur
4 Halbleiterkörper
5 Driftstrecke
6 Source-Elektrode
7 Drain-Elektrode 8 Gate-Elektrode
9 Driftzone, 1. Driftzonentyp
10 Driftzone, 2. Driftzonentyp
11 Ladungskompensationszone
12 monokristallines Substrat 13 Grabenstruktur
14 Wand der Grabenstruktur
15 Wand der Grabenstruktur 16 .„komplementär leitende- Schicht auf Grabenstrukturwänden
17 mitteldotierte Epitaxieschicht 18 Oberseite des Halbleiterkörpers
19 Oberseite des Substrats
20 Sockelepitaxieschicht
21 Oberseite der Sockelepitaxieschicht
22 aufgefülltes monokristallines Halbleitermaterial 23 diffusionshemmende Schicht
24 Randstruktur
25 Randgraben
26 Randkompensationszone
27 Rand des Halbleiterbauelements 28 Randkontur
29 Randpassivierungsschicht
30 Bodenbereich der Grabenstruktur
31 Rückseite des Halbleiterkörpers
32 strukturierte Hilfsschicht
33 Endpunktkontrollschicht
34 Oberseite der Mesen
35 Mesen 36 hochdotierte monokristalline Epitaxieschicht auf Grabenstrukturwand
37 nivellierende Photolackschicht
38 Randbereich
39 p-leitende Bodyzone 40 gestrichelte Linie
D Drain-Elektrode
G Gate-Elektrode
S Source-Elektrode h Höhe der Mesen t Grabentiefe
W Schichtdicke der Epitaxie