DE102005007599B3 - Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone (4) in einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauteils (1) wird der Halbleiterkörper mit Protonen bestrahlt und der bestrahlte Halbleiterkörper einem Temperprozess unterworfen. Vor dem Bestrahlungsprozess wird der Halbleiterkörper einem RTA-Prozess in nitrierender Atmosphäre unterzogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauteils.
  • Halbleiterbauteile mit Feldstoppzone sind bekannt. Eine detaillierte Beschreibung der technischen Grundlagen derartiger Halbleiterbauteile findet sich beispielsweise in der Patentschrift US 5,668,385 . Im Folgenden wird eine kurze Zusammenfassung der Funktionsweise eines Halbleiterbauteils mit Feldstoppzone gegeben.
  • Feldstoppzonen werden beispielsweise in Halbleiterbauteilen eingesetzt, die in einer vertikalen pnp-Struktur mit einem an der Vorderseite befindlichen sperrenden pn-Übergang im n-Gebiet eine so geringe Dotierung aufweisen, dass sich das elektrische Feld beziehungsweise die Raumladungszone im Sperrfall bis zu einem rückseitigen p-Gebiet ausdehnen würde. Ein derartiges "Durchgreifen" des elektrischen Feldes bzw. der Raumladungszone wird als "Punch-Through" bezeichnet und bewirkt, dass eine Durchbruchsspannung des Halbleiterbauteils verringert wird. Durch das Verwenden einer Feldstoppzone wird zwischen dem niedrig dotierten n-Gebiet und dem rückseitigen p-Gebiet ein zusätzliches, etwas höher dotiertes n-Gebiet eingebaut, durch das das elektrische Feld komplett abgebaut wird. Damit kann der Punch-Through-Effekt sicher vermieden werden. Halbleiterbauteile mit Feldstoppzone werden als Feldstoppbauteile bezeichnet und können beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), MCTs (MOS Controlled Thyristor), GTOs (Gate Turn-Off Thyristor), ESTs (Emitter Switched Thyristor), Thyristoren oder Bipolartransistoren sein. Auch Dioden können in dieser Art ausgelegt werden.
  • Das Verfahren zur Herstellung der Feldstoppzone ist unabhängig von der konkreten Gestalt der Vorderseite des Halbleiterbauteils, d. h. die Vorderseitenstruktur kann auf vielfältige Art und Weise ausgestaltet sein (z. B. planare MOS-Zellen, durchgehende oder strukturierte Emitter, etc., aufweisen).
  • Soll keine Feldstoppzone eingesetzt werden, so kann alternativ das niedrig dotierte n-Gebiet so dick gemacht werden, dass das elektrische Feld bzw. die Raumladungszone auch bei Anliegen einer hohen Spannung noch "rechtzeitig" vor dem p-Emitter innerhalb des niedrig dotierten n-Gebiets endet. Hierbei ist nachteilig, dass im Vergleich zu Halbleiterbauteilen mit Feldstoppschicht bei gleicher "Spannungsfestigkeit" eine deutlich höhere Bauelement-Dicke erforderlich ist, womit hohe Durchlass- und/oder Schaltverluste auftreten.
  • 1 zeigt ein IGBT-Halbleiterbauteil 1 mit Feldstoppschicht, das folgendermaßen aufgebaut ist: an eine Rückseitenmetallschicht 2 angrenzend ist eine p-Emitterschicht 3 angeordnet, auf der wiederum eine n-Feldstoppschicht 4 vorgesehen ist. Auf der n-Feldstoppschicht 4 ist ein n-Basisgebiet 5 vorgesehen, dessen Dotierungsstärke gegenüber der der n-Feldstoppschicht 4 gering ist. In die Oberseite des n-Basisgebiets bzw. der n-Basisschicht 5 sind ein erstes und zweites p-Körpergebiet 6, 7 eingelassen. Im ersten p-Körpergebiet 6 befindet sich ein erstes n-Sourcegebiet 8; analog hierzu ist im zweiten p-Körpergebiet 7 ein zweites n-Sourcegebiet 9 vorgesehen. Das erste p-Körpergebiet 6 ist von dem zweiten p-Körpergebiet 7 durch das n-Basisgebiet 5 getrennt. Weiterhin ist eine Isolatorschicht (Oxidschicht) 10 vorgesehen, die die Oberseite des n-Basisgebiets 5 sowie Teile des ersten und zweiten p-Körpergebiets 6, 7 bzw. des ersten und zweiten n-Sourcegebiets 8, 9 abdeckt. Innerhalb der Oxidschicht 10 ist ein Gate 11 vorgesehen. Von der Oxidschicht 10 nicht bedeckte Oberflächenteile des ersten und zweiten p-Körpergebiets 6, 7 bzw. des ersten und zweiten n-Sourcegebiets 8, 9 werden durch eine Vorderseitenmetallschicht 12 bedeckt, die auch die Oxidschicht 10 bedeckt. Im Sperrfall wird eine vom ersten und zweiten p-Körpergebiet 6, 7 ausgehende, sich im n-Basisgebiet 5 ausbreitende Raumladungszone durch die n-Feldstoppschicht 4 gestoppt, so dass sich die mit Bezugszeichen 13 gekennzeichnete Feldverteilung ergibt.
  • Die Feldstoppzone sollte insbesondere innerhalb von IGBT-Halbleiterbauteilen so ausgestaltet sein, dass einerseits eine ausreichende Sperrfähigkeit des Halbleiterbauteils garantiert ist, andererseits jedoch auch zufrieden stellende dynamische Eigenschaften (beispielsweise ein ausreichend weiches Abschaltverhalten oder eine hohe Kurzschlussbelastbarkeit) ermöglicht werden. Wünschenswert wäre weiterhin, die Feldstoppzone bei Temperaturen unterhalb von 500°C herzustellen, damit diese auch in einem relativ späten Prozessstadium (weitgehend fertig prozessierte Siliziumscheibe) hergestellt werden kann, ohne vorangehend erzeugte Strukturen in Mitleidenschaft zu ziehen. Ist dies möglich, so können relativ dünne Siliziumscheiben (Substrate) eingesetzt werden und damit die Durchlassverluste des Halbleiterbauteils gering gehalten werden. Dieser Vorteil schlägt insbesondere dann zu Buche, wenn IGBTs oder Dioden mit Sperrspannungen bis zu 1800 V hergestellt werden sollen, die besonders geringe Enddicken der Substrate erfordern.
  • Experimente haben gezeigt, dass die gleichzeitige Realisierung von weichem Abschaltverhalten und ausreichender Kurzschlussfähigkeit eine sich tief in den Halbleiterkörper des Halbleiterbauteils hinein erstreckende Feldstoppzone ("tief auslaufendes Dotierungsprofil") mit geringem Dotierungsgradienten notwendig macht. Sollen derartige tief auslaufende Feldstoppzonen-Dotierungsprofile mittels eines Diffusionsver fahrens hergestellt werden, sind jedoch Temperaturen oberhalb von 500°C notwendig. Beispielsweise wird im Falle einer Phosphordiffusion eine Temperatur oberhalb 1100°C und im Falle einer Selendiffusion eine Temperatur oberhalb 800°C benötigt, um ein ausreichend tiefes Feldstoppzonen-Dotierungsprofil zu erzeugen. Dies hat jedoch, wie oben beschrieben, den Nachteil, dass es nicht möglich ist, die Feldstoppzone in einem relativ späten Prozessstadium herzustellen, da vorangehend erzeugte Strukturen in Mitleidenschaft gezogen werden würden.
  • Um diesen Nachteil zu umgehen, ist es z.B. aus US 6 482 681 B1 bekannt, die Feldstoppzone mittels einer oder mehrerer Protonenbestrahlungen herzustellen. Protonenbestrahlungen bewirken die Erzeugung von Donatoren im so genannten "End-of-Range"-Bereich des Halbleiterkörpers sowie in geringem Ausmaß im durchstrahlten Bereich, wobei um so mehr Donatoren erzeugt werden, je höher die Protonen-Bestrahlungsdosis ist. Nachteilig beim Einsatz einer Protonenbestrahlung ist der hohe Aufwand, der bei mehreren Bestrahlungsschritten unterschiedlicher Energie zur Erzeugung des tief auslaufenden Dotierungsprofils anfällt. Nachteilig ist weiterhin, dass bei Einsatz mehrerer Protonenbestrahlungen unterschiedlicher Energie die resultierende Feldstoppzone immer einen Dotierungsverlauf mit einer gewissen "Welligkeit" aufweist.
    •
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Verfahren zur Herstellung einer tief auslaufenden Feldstoppzone innerhalb eines Halbleiterkörpers eines Halbleiterbauteils anzugeben, das die Herstellung der Feldstoppzone bei Temperaturen unterhalb 500°C ermöglicht und einen verhältnismäßig geringen Aufwand erfordert.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bereit. Vorteilhafte Aus gestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone in einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauteils weist die folgenden Schritte auf: zunächst wird der Halbleiterkörper mit Protonen bestrahlt. Anschließend wird der bestrahlte Halbleiterkörper einem Temperprozess unterworfen. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass der Halbleiterkörper vor dem Bestrahlungsprozess einem RTA ("Rapid Thermal Annealing")-Prozess in nitrierender Atmosphäre unterzogen wird.
  • „Nitrierende Atmosphäre" bedeutet, dass die Atmosphäre in einer RTA-Kammer, in der der RTA-Prozess ausgeführt wird, im Wesentlichen aus Stickstoff bestehen sollte.
  • Die Temperatur des RTA-Prozesses liegt in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Bereich zwischen 1000°C bis 1200°C.
  • Der RTA-Schritt muss vor der Abscheidung von Metall- und/oder Passivierungsschichten erfolgen, bei sehr dünnen (Substrat-) Scheiben (Halbleiterkörpern) sinnvollerweise bereits vor dem Dünnen.
  • Die Dauer des RTA-Prozesses kann in einem Bereich liegen, der sich von mehreren Sekunden bis zu mehreren Stunden hin erstreckt.
  • Die Dosen der Protonen während des Bestrahlungsprozesses betragen in einer bevorzugten Ausführungsform mehrere 1013 bis mehrere 1014 Protonen/cm2.
  • Die Temperatur des Temperprozesses beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform 350°C bis 450°C.
  • Die Dauer des Temperprozesses sollte 1 bis 4 Stunden betragen.
  • Die Erfindung lässt sich auf ein beliebiges Halbleiterbauteil mit Feldstoppzone anwenden, beispielsweise einen IGBT oder eine Diode. Denkbar sind jedoch auch andere Halbleiterbauteile wie beispielsweise MCTs, GTOs, ESTs bzw. Thyristoren oder Bipolartransistoren.
  • Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise durch die Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (Vorderseite oder Rückseite) hindurch, die näher an der Feldstoppzone liegt. Dies ist im Allgemeinen die Rückseite des Halbleiterkörpers.
  • Erfindungsgemäß wird demnach eine Feldstoppzone mit einer relativ hohen Dotierungskonzentration dicht unterhalb der Scheibenoberfläche ("Scheibenoberfläche" _ "Substratoberfläche") und einem sich in die Tiefe ausdehnenden Dotierungsprofil mit einem flachen Gradienten erzeugt, indem – wie z. B. aus US 6 482 681 B1 bekannt – eine Protonenbestrahlung in die Scheibenseite (Substratseite), in der die Feldstoppzone erzeugt werden soll, hinein erfolgt. Da eine solche Bestrahlung jedoch zu einer gaußförmigen Dotierungsverteilung innerhalb der zu erzeugenden Feldstoppzone und somit zu einem relativ steilen Gradienten des Dotierungsprofils bezüglich der Scheibentiefe führt, wird erfindungsgemäß vor Durchführung der Protonenbestrahlung ein „Rapid Thermal Annealing (RTA)"-Schritt in nitrierender Atmosphäre durchgeführt.
  • Dieser nitrierende RTA-Schritt führt dazu, dass Leerstellen in die Siliziumscheibe eindiffundieren, wobei die Eindringtiefe und die Konzentration der Leerstellen durch die Maximaltemperatur und die Zeitdauer des RTA-Schrittes festgelegt werden. Diese zusätzlichen, in die Tiefe eindiffundierten Leerstellen bewirken in Kombination mit den Wasserstoffatomen, die bei einer der Protonenbestrahlung nachfolgenden Temperung in die Tiefe der Scheibe eindiffundieren, eine Erzeugung zusätzlicher Donatoren in der Tiefe der Scheibe, wobei der Konzentrationsverlauf dieses flachen Dotierungsprofilausläufers in erster Linie dem durch die mittels des nitrierenden RTA-Schrittes festgelegten Leerstellenprofil folgt.
  • Eine Abbildung eines experimentell ermittelten Dotierungsprofils, das mittels des oben beschriebenen Verfahrens erzeugt wurde, ist in 2 schematisch dargestellt. Das im tieferen Bereich ab ca. 20μm vorliegende Dotierungsprofil mit geringem Gradienten ist durch den oben beschriebenen Mechanismus erzeugt worden, wobei die Donatoren aus Agglomeraten aus Leerstellen und Wasserstoffatomen gebildet werden. Ohne den nitrierenden RTA-Prozess können zwar auch Wasserstoffatome in die Scheibentiefe diffundieren, jedoch fehlen die für die Donatorbildung erforderlichen Reaktionspartner, nämlich die Leerstellen. Dazu kommt, dass durch den nitrierenden Prozess-Schritt die eingebaute Konzentration an Wasserstoffinduzierten Donatoren im „End-of-Range" deutlich zunimmt, was durch eine geringere Implantationsdosis "kompensiert" werden kann (d.h. es ist eine geringere Implantationsdosis nötig).
  • In dem in 2 gezeigten Beispiel hat die Referenzprobe eine Dotierungs-Summendosis von 6,7·1011/cm2, während die nitrierte Probe eine mehr als doppelt so hohe Dotierungs-Summendosis von 1,6·1012/cm2 aufweist. Dies ist besonders vorteilhaft, da nur wenige Prozent der implantierten Wasserstoffatome letztendlich als Donatoren wirken und somit die Implantationsdosis deutlich reduziert werden kann. Somit können die Kosten der Implantation gesenkt werden.
  • Typische Temperaturen für den RTA-Schritt sind Temperaturen zwischen 1000°C und 1200°C. Die Dauer des RTA-Schrittes kann je nach gewünschter Eindringtiefe der Feldstoppzone in den Halbleiterkörpern einige Sekunden bis zu einigen Minuten betragen. Typische Dosen für die Protonenbestrahlung, die zur Erzeugung einer Feldstoppzone geeignet ist, liegen im Bereich zwischen einigen 1012 bis zu einigen 1015, vorzugsweise zwischen einigen 1013 bis zu einigen 1014 Protonen/cm2.
  • Die Temperung nach der Bestrahlung mit Protonen sollte typischerweise bei Temperaturen zwischen 350°C und 450°C durchgeführt werden. Die Zeitdauer dieser Temperung liegt typischerweise zwischen einer und 4 Stunden.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, mittels eines nitrierenden RTA-Schrittes, einer nachfolgenden Protonenbestrahlung und einer abschließenden Temperung eine n-dotierte Feldstoppzone mit einer Zone hoher Dotierung und hohem Gradienten und einer Zone niedrigerer Dotierung und niedrigem Gradienten zu erzeugen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts eines IGBTs mit planarer Zelle und vertikalem Aufbau samt zugehöriger Feldverteilung des elektrischen Felds im Sperrfall,
  • 2 Dotierungskonzentrationsverläufe innerhalb einer Feldstoppschicht, die mit/ohne Einsatz eines RTA-Prozesses gemessen wurden.
    •
  • In 2 sind gemessene Dotierungs-Konzentrationsverläufe innerhalb einer Feldstoppzone eines Halbleiterbauteils dargestellt, wobei der mit Bezugsziffer 20 gekennzeichnete Verlauf einem Herstellungsverfahren mit RTA-Prozess (erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren), und der mit Bezugsziffer 21 gekennzeichnete Verlauf einem Herstellungsverfahren ohne RTA-Prozess (herkömmliches Herstellungsverfahren) entsprechen. Unter „Messtiefe" ist hier der Abstand senkrecht zur rückseitigen Halbleiterkörper-Oberfläche in Richtung auf die Vorderseite des Halbleiterbauteils zu verstehen.
  • Deutlich zu sehen ist, dass bei Einsatz eines RTA-Prozesses in nitrierender Atmosphäre vor dem Protonen-Bestrahlungsprozess des Halbleiterkörpers eine stärkere Dotierung über die gesamte Feldstoppzone hinweg resultiert. Der RTA-Prozess in nitrierender Atmosphäre bewirkt also ein "globales" Anheben der Dotierungskonzentration. Damit kann bei gleich bleibender Dotierungskonzentration ein Bestrahlungsprozess geringerer Bestrahlungsdosis eingesetzt werden, was wiederum die Herstellungskosten der Feldstoppzone verringert. Die durch den Bestrahlungsprozess mit geringerer Bestrahlungsdosis resultierende geringere Dotierungskonzentration wird demnach durch den RTA-Prozess in nitrierender Atmosphäre, der die Dotierungskonzentration anhebt, kompensiert.
  • Den in 2 gezeigten Dotierungskonzentrationsverläufen 20, 21 ging eine Temperung von 400°C in inerter Atmosphäre mit nitrierendem RTA-Schritt bei 1150°C bzw. ohne nitrierendem RTA-Schritt voraus.
    • 1
    IGBT-Halbleiterbauteil
    2
    Rückseitenmetallschicht
    3
    p-Emitterschicht
    4
    Feldstoppschicht
    5
    n-Basisgebiet
    6
    p-Körpergebiet
    7
    p-Körpergebiet
    8
    n-Sourcegebiet
    9
    n-Sourcegebiet
    10
    Isolatorschicht
    11
    Gate
    12
    Vorderseitenmetallschicht
    13
    Feldverteilung
    20
    Dotierkonzentrationsverlauf
    21
    Dotierkonzentrationsverlauf

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Feldstoppzone (4) in einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauteils (1), bei dem – der Halbleiterkörper mit Protonen bestrahlt wird, und – der bestrahlte Halbleiterkörper einem Temperprozess unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bestrahlungsprozess der Halbleiterkörper einem RTA-Prozess in nitrierender Atmosphäre unterzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des RTA-Prozesses 1000°C bis 1200°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des RTA-Prozesses mehrere Sekunden bis mehrere Stunden beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosen der Protonen bei dem Bestrahlungsprozess mehrere 1012 bis 1015, insbesondere mehrere 1013 bis 1014 Protonen/cm2 betragen.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Temperprozesses 350°C bis 450°C beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Temperprozesses 1 bis 4 Stunden beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren ein IGBT oder eine Diode hergestellt wird.
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