DE10123616A1 - Superjunction-Halbleiterbauteil sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Superjunction-Halbleiterbauteil sowie Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Herstellung eines Superjunction-Halbleiterbauteils umfaßt die Schritte der Ausbildung von mit Abstand voneinander angeordneten parallelen Gräben in einer Silizium-Halbleiterscheibe eines ersten Leitungstyps, wobei sich jeder der Gräben senkrecht zur oberen Oberfläche der Silizium-Halbleiterscheibe erstreckt und jeder der Gräben annähernd die gleiche Tiefe und den gleichen Querschnitt aufweist, des Lenkens eines Implantationsstrahls einer Spezies, die einen zweiten Leitungstyp bildet, in Richtung auf die Oberfläche der Silizium-Halbleiterscheibe und unter einem Winkel zu den Achsen jedes der Gräben, wobei der Winkel ausreichend klein ist, damit die volle Länge der Innenoberfläche jeder der Zellen implantierte Ionen von der Implantationsquelle empfängt, und des Drehens der Halbleiterscheibe, um die volle Oberfläche des Inneren jedes der Gräben mit dem Implantationsstrahl zu beaufschlagen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Superjunction-Halbleiterbauteil sowie auf ein
Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterbauteils.
Superjunction-Halbleiterbauteile sind gut bekannt und sind beispielsweise in den US-
Patenten 4 754 310 auf den Namen von Coe, 5 216 275 auf den Namen von Chen
und 3 925 803 auf den Namen von Sony beschrieben.
Obwohl das sogenannte Superjunction-Halbleiterbauteil ein neues Konzept in die
Technik der Leistungs-MOSFET-Halbleiterbauteile eingeführt hat, sind die bekannten
Verfahren zur Verwirklichung des Konstruktionskonzeptes schwierig und kompliziert.
Bei einem bekannten Verfahren wird eine relativ flache N--Epitaxialschicht über einem
N+-Substrat ausgebildet, und mit Abstand voneinander angeordnete P-Diffusionen, die
Teile von P-Säulen bilden, werden in die Schicht eindiffundiert. Eine Serie derartiger
N--Schichten wird übereinander aufgewachsen oder abgeschieden, wobei
entsprechende P-Diffusionen übereinander gestapelt werden, bis die gewünschte P-
Säulenhöhe erreicht ist. Ein typisches Verfahren könnte unter Verwendung mehrfacher
Implantations- und expitaxialer Aufwachs-Schritte verwirklicht werden, wie dies in Fig.
1 gezeigt ist.
Ein derartiges Herstellungsverfahren ist nicht nur kompliziert und aufwendig, sondern
beeinträchtigt auch die elektrischen Eigenschaften aufgrund des ungleichförmigen
Dotierungsprofils, das durch die mehrfachen Implantations- und Epitaxial-Aufwachs-
Schritte gebildet wird. Es wurden andere Verfahren vorgeschlagen, bei denen Gräben
in einen N-Körper eingeätzt und dann mit einer weiteren Schicht von P-Material
aufgefüllt werden. Ein Verfahren dieser Art ist in der anhängigen US-Patentanmeldung
09/732 401 vom 7.12. 2000 mit dem Titel "HIGH VOLTAGE VERTICAL CONDUCTION
SUPERJUNCTION SEMICONDUCTOR DEVICE" auf den Namen von Daniel M.
Kinzer und Srikant Sridevan der gleichen Anmelderin gezeigt. Diese Verfahren sind
unhandlich und kompliziert, insbesondere wenn mit Abstand voneinander angeordnete
Zellen oder Pfosten eines Konzentrationstyps in einem Körper aus einem anderen
Leitungststyp gebildet werden müssen.
Es ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem parallele Gräben in einer N--Epitaxial
schicht gebildet werden, wobei in die Wände der Gräben einfach ein P-
Dotierungsmittel mit ausreichender Konzentration und Tiefe eindiffundiert wird, damit
sich ein Ladungsgleichgewicht mit dem umgebenden N--Epitaxialkörper ergibt. Bei
derartigen Bauteilen ist es schwierig, eine gleichförmige P-Typ-Konzentration entlang
der Länge der Wände des Grabens zu erreichen, insbesondere bei einem tiefen
Graben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauteil der eingangs
genannten Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, das verbesserte
Eigenschaften bei vereinfachter Herstellung ergibt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 6 bzw. 1 angegebenen Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil weist verbesserte elektrische Eigenschaften
aufgrund einer gleichförmigeren Implantation und Diffusion in die Seitenwände von mit
Abstand voneinander angeordneten Zellenelementen eines Superjunction-
Halbleiterbauteils auf und ermöglicht weiterhin eine einfachere Herstellung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Implantation unter einem Winkel
vorgesehen, um direkt die Seitenwände von tiefen Zellen in einer gleichförmigen und
gut steuerbaren Weise zu dotieren. Das grundlegende Konzept der Erfindung besteht
darin, daß nach dem tiefen Ätzen von Gräben eine Implantation unter einem Winkel
verwendet wird, um die Graben-Seitenwand zu dotieren. Der Implantationswinkel kann
in einfacher Weise durch die Implanationsmaschine so eingestellt werden, daß
sichergestellt ist, daß Dotierungsionen den Boden des Grabens erreichen. Der
ausgewählte Winkelwert hängt von der Tiefe und Breite des Grabens ab. Durch
weiteres Drehen der Implantationsprobenscheiben, entweder intermittierend oder
kontinuierlich, werden die Gräben-Seitenwände gleichförmig entlang ihrer vollen Länge
dotiert. Der Querschnitt der Gräben kann unterschiedliche Formen aufweisen, wie
z. B. Sechseck, streifenförmig, kreisförmig oder rechtwinklig und dergleichen. Die
Dotierungsverteilung, Grenzschichttiefe und Oberflächenkonzentration der Gräben wird
durch die Implantationsenergie, die Dosis, die Spezies und die Wärmebehandlungs
bedingungen bestimmt.
Die Hauptvorteile der Erfindung sind wie folgt:
- 1. Es ist lediglich ein einziger Implantationsschritt erforderlich, und es ist kein epitaxiales Wachstum für einen Graben erforderlich.
- 2. Die durch die Gräben gebildeten Seitenwände können leicht und gleich förmig in einem Bearbeitungsschritt dotiert werden.
- 3. Die Kosten werden, verglichen mit der üblichen Grabenbildung, stark verringert.
- 4. Es können ultraflache Grenzschichten gebildet und kontrolliert werden, was wesentlich ist, um die Transistor-Zellengröße zu verringern.
- 5. Das erzeugte gleichförmige Dotierungsprofil, das durch eine direkte Ionen- Implantation gebildet wird, ist kritisch für die Ausbildung einer idealen rechtwinkligen Form der charakteristischen Kurve des elektrischen Feldes entlang der Grabentiefe, was eine grundlegende Forderung für ein Superjunction-Halbleiterbauteil ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt, der eine Zelle eines typischen bekannten
Superjunction-Halbleiterbauteils zeigt,
Fig. 2 einen Querschnitt einer Hälfte einer Zelle eines Superjunction-
Halbleiterbauteils, das gemäß der Erfindung implantiert und gedreht wird,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Zelle nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil einer Halbleiterscheibe, die Zellen wie die
nach den Fig. 2 und 3 enthält.
Fig. 5 eine Kurve des elektrischen Feldes gegenüber der Grabentiefe für die
Struktur nach Fig. 2 ist.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Superjunction-Struktur in einer Silizium-
Halbleiterscheibe, bei der ein N--Körper 10 aus Silizium epitaxial auf einem N+-Substrat
12 aufgewachsen ist. Tiefe, mit Abstand angeordnete P+-Pfosten oder Säulen 11, sind
in den Körper 10 hinein ausgebildet, wobei die N-- und P+-Bereiche so bemessen sind
und derartige Konzentrationen haben, daß beide unter einer Sperrvorspannung
vollständig verarmt oder ausgeräumt werden.
Das zur Herstellung dieses Halbleiterbauteils verwendete Verfahren erfordert das
aufeinanderfolgende Aufwachsen von Schichten aus N--Silizium und die P-Typ-
Diffusion in jede Schicht, um eine Säule mit ausreichender Länge, beispielsweise 35
Mikrometern, zu bilden. Dies ist ein komplizierter und kostspieliger Prozeß.
Gemäß der Erfindung, und wie dies in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist, wird eine
Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten Gräben, beispielsweise Gräben
20-26, in einen N--Körper 27 bis zu einer Tiefe von beispielsweise 30-50 Mikrometern
und einer Breite von beispielsweise 2-5 Mikrometern eingeätzt. Danach wird eine
Implantation unter einem flachen Winkel, beispielsweise von 2 bis 7 Grad, gegenüber
der vertikalen Mittelachse der Gräben 20-26 ausgeführt, wie dies schematisch durch
die Pfeile 30 und 31 in Fig. 2 gezeigt ist. Von Bedeutung ist hierbei, daß während der
Implantation die Halbleiterscheibe 27 kontinuierlich oder in Schritten um eine Achse
senkrecht zu ihrer Oberfläche und unter einem Schrägwinkel gedreht wird, so daß der
Implantationsstrahl vollständig gleichförmig über alle Oberflächen der Gräben verteilt
wird. Beispielsweise kann eine Vielzahl von getrennten Implantationen durchgeführt
werden, jeweils entlang der Tiefe des Grabens und auf einer Innenoberfläche, die
durch einen kleinen Winkel in einer Ebene senkrecht zu Grabenachse definiert ist. Die
Halbleiterscheibe wird dann gedreht oder schrittweise auf neue Winkelstellungen
bewegt, und eine weitere Implantation wird bei jedem neuen Winkel ausgeführt. Die
aufeinanderfolgenden Implantationen können in vier Schritten von jeweils 90° oder in
sechs Schritten von jeweils 60° oder dergleichen ausgeführt werden.
Die Implantationsspezies ist ein P-Typ-Material, beispielsweise Bor. In einem Beispiel
wird die Bor-Implantation bei 30 KeV und einer Dosis 3E13 bis 1E14 Atomen/cm2
ausgeführt, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 1050°C für 40-90 Minuten. Die
Gräben weisen einen Abstand von 4,5 bis 9 Mikrometern auf, und sie werden in einem
epitaxial aufgewachsenen N--Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 3 bis 3,5
Ohm cm ausgebildet. Die Implantation erzeugt einen Oberflächenbereich 32 vom P-
Typ für die Zellen 20-26, die; wenn sie aktiviert werden, eine Tiefe und Konzentration
aufweisen, die an die des umgebenden N-Körpers 27 angepaßt ist, so daß die beiden
vollständig während einer Vorspannung der Grenzschicht 32/27 in Sperrichtung
verarmen oder ausgeräumt werden.
Fig. 5 zeigt die wünschenswerte Verteilung des elektrischen Feldes gegenüber der
Grabentiefe, die erzielt wird.
Das fertige Halbleiterbauteil kann in der üblichen Weise durch die Hinzufügung einer
MOS-Gate-Steuerstruktur und der Source- und Drain-Elektroden fertiggestellt werden,
wie dies in der erwähnten US-Patentanmeldung 09/732 401 offenbart ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben
wurde, sind viele andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen
für den Fachmann ohne weiteres zu erkennen. Die Erfindung ist daher nicht auf die
hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines Superjunction-Halbleiterbauteils,
gekennzeichnet durch die Schritte der Ausbildung von mit Abstand voneinander
angeordneten parallelen Gräben in einer Silizium-Halbleiterscheibe eines ersten
Leitungstyps, wobei sich jeder der Gräben senkrecht zur oberen Oberfläche der
Silizium-Halbleiterscheibe erstreckt und jeder der Gräben angenähert die gleiche Tiefe
und den gleichen Querschnitt aufweist, Lenken eines Implantationsstrahls einer
Spezies, die einen zweiten Leitungstyp bildet, in Richtung auf die Oberfläche der
Silizium-Halbleiterscheibe und unter einem Winkel zu den Achsen jedes der Gräben,
wobei der Winkel ausreichend klein ist, damit die volle Länge der Innenoberfläche
jeder der Zellen implantierte Ionen von der Implantationsquelle empfängt, und Drehen
der Halbleiterscheibe, um die volle Oberfläche des Inneren. jedes der Gräben mit dem
Implantationsstrahl zu beaufschlagen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gräben symmetrisch über die
Oberfläche der Halbleiterscheibe hinweg angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Ionenimplantationswinkel
zwischen 10 und 20° liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem der erste Leitungstyp der
N-Typ ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gräben eine Tiefe von mehr als ungefähr 25 Mikrometern und eine Breite aufweisen,
die kleiner als ungefähr 2 Mikrometer ist.
6. Superjunction-Halbleiterbauteil, gekennzeichnet durch mit Abstand voneinander
angeordnete parallele Gräben (20-26), die in einer Silizium-Halbleiterscheibe (27) eines
ersten Leitungstyps ausgebildet sind, wobei sich die Gräben senkrecht zur oberen
Oberfläche der Silizium-Halbleiterscheibe erstrecken und alle Gräben angenähert die
gleiche Tiefe und den gleichen Querschnitt aufweisen, wobei auf der Innenoberfläche
der Gräben mit Hilfe einer Implantationsquelle ein Oberflächenbereich (32) von einem
zweiten Leitungstyp ausgebildet ist, und wobei die Innenoberflächen der Gräben eine
gleichförmige Implantation und Diffusion aufweisen.
7. Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben
(20-26) symmetrisch über die Oberfläche der Halbleiterscheibe (27) hinweg verteilt
sind.
8. Halbleiterbauteil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
eine Leitungstyp der N-Leitungstyp ist.
9. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben eine Tiefe von mehr als ungefähr 25 Mikrometern und eine Breite von
weniger als ungefähr 9 Mikrometern aufweisen.
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